面向聚变应用的 W-Ni 重合金中的氦 - 空位复合体与缺陷工程

《Micro and Nanostructures》：Helium–Vacancy Complexes and Defect Engineering in W–Ni Heavy Alloys for Fusion Applications

　　

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  He⁺ 辐照使 W-Ni 合金中的正电子湮灭从体相状态转移到与缺陷相关的状态，同时保持平均寿命几乎不变。
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  PALS 和 TCDFT 计算表明，氦 - 空位复合物（而非空位）主导了缺陷演化。
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  DBS 和 S-W 分析揭示了多组分缺陷以及随注量增加而逐渐进行的氦填充。
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  EMD 谱线确定了氦改性空位缺陷的深度依赖性电子特征。

引言

基于钨的重合金由于其高熔点、耐热载荷能力和高密度，被认为是极端环境下结构和功能部件的战略材料 1, 2, 3, 4, 5。这些材料最关键的应用之一是在核聚变装置（例如，偏滤器/第一壁）中用作等离子体面对材料，在那里它们与热流和粒子流强烈相互作用 [6]。然而，纯 W 的脆性以及其在脉冲热载荷下在表面和体相中形成裂纹网络的趋势限制了这类材料的可靠性。因此，引入 Ni（或 Fe）等粘结相是一个有前景的方法，作为“减震器”来减轻裂纹扩展并保持机械完整性 [7]。在辐射环境中，主要风险机制是由于空位聚集和气体（特别是 He）气泡形成导致的延展性丧失和肿胀 8, 9, 10, 11。因此，通过“缺陷工程”（例如，增加边界/阱的数量，形成纳米团簇等）对微观结构进行有针对性的控制，成为增强抗辐射能力的关键策略。纳米结构化和高密度缺陷阱的创建可以增强对辐射诱导的空位 - 间隙缺陷的“吸收”，从而限制损伤积累 12, 13。同时，非平衡加工模式（如辐照）显著改变了 Ni-W 基系统的微观结构和性能，表明建立适当的缺陷架构也可用于有目的地优化硬度、耐磨性和耐腐蚀性 [14]。

由于这些过程改变了弹性模量、强度、导电性和扩散等性能，研究缺陷形成和演化机制对于在辐射环境中长期运行至关重要。为此，采用了如正电子湮灭寿命谱（PALS）和多普勒展宽谱（DBS）等非破坏性和高灵敏度方法 15, 16, 17, 18, 19。PALS 技术基于正电子寿命特性，对纳米级空位型缺陷（空位、团簇等）的演化敏感，而 DBS 通过分析湮灭过程中产生的光子能量展宽，评估湮灭位点的化学环境变化。因此，这两种方法都作为检测材料内部缺陷以及对辐射诱导结构变化进行高精度、阶梯式监测的有效诊断工具 20, 21, 22, 23。最近，对钨的研究表明，在 0.83–1.62 dpa 的损伤水平下，He 辐照下结构缺陷的热演化在 373–1273 K 温度范围内的 PALS 测量中表现出阶梯状行为 [24]。对于钨中的单空位型缺陷，对应的正电子寿命分量约为 ～190 ps，而在 W-5%Re 合金中，与位错环相关的分量记录在 ～150 ps 左右 [24]。随着温度升高，观察到由 4–8 个单空位组成的空位团簇，在更高温度下，缺陷恢复过程变得更加明显 [24]。在一项类似研究中，Kang 等人用能量为 50, 30 和 35 keV、注量为 2×10¹⁶, 4×10¹⁶ 和 1×10¹⁷ ions/cm² 的 He⁺ 离子辐照钨。他们的 DB-PAS/DBS 测量显示，辐照后 S 参数立即显著增加，在 723 K 附近开始部分恢复，并在 923 K 可能重新形成大空洞以及新的空位型缺陷 [25]。对于重离子辐照，测量的寿命也清楚地表明了缺陷生长。特别是，用 80 MeV ¹²C 和 85 MeV ¹⁹F 离子在 2 dpa 和 20 dpa 下辐照的钨，在大空洞/团簇中表现出更长的寿命分量（τ₂ ～424 ps）。相比之下，He⁺ 辐照的 316L 不锈钢（普通变体在 2.28 dpa 和 22.8 dpa，改性变体在 30 dpa）显示 τ₂ ～ 286 ps，对应于 ～5-空位团簇，以及 τ₂ ～344 ps，对应于 ～10-空位团簇 [26]。

此外，伽马辐照可以改变基于钨的重合金中的缺陷 - 孔隙率平衡，导致微观结构重组以及某些空位型中心的“恢复/补偿”。S.F. Samadov 等人使用伽马射线辐照 W-Ni 合金，剂量范围为 620–3566 kGy，显示 PALS 测量最初记录了一个对应于大开放体积缺陷的分量，τ₂ ～ 433 ps 且 I₂ ～ 5% [27]。随着剂量增加，缺陷转变为较小的空位团簇，τ₂ ～ 250 ps 且 I₂ ～ 47%，这与孔隙率减少和增强的自愈合效应一致 [27]。此外，在 1239 kGy 左右，识别出一个“临界重组阈值”，在该点观察到了缺陷重新分布、微应变松弛和振动模式变化等同时现象 [27]。虽然这些研究清楚地证明了正电子技术对辐照诱导缺陷演化的敏感性，但它们也强调，氦在改性空位型缺陷中的作用，特别是在两相 W-Ni 系统中，仍然缺乏充分的量化。

在本工作中，我们通过研究高能 He⁺ 辐照在具有两相 W/WNi₄ 微观结构的粉末冶金 W-Ni 重合金中诱导的开放体积缺陷的剂量和深度依赖性演化来解决这一空白。实验方法结合 PALS 和变能 DBS（包括 S-W 相关性和 EMD 比率曲线），与双组分密度泛函理论计算（ABINIT/MIKA）系统关联，以建立该材料系统的实验“缺陷指纹”。特别强调阐明注入的 He 原子如何与预先存在的空位型缺陷相互作用，氦如何改性有效开放体积和湮灭环境，以及 W/WNi₄ 界面如何促成观察到的缺陷演化。最终目标是制定缺陷工程标准，以优化氦滞留并减轻与聚变相关的 W-Ni 重合金中的脆化风险。

章节摘要

材料表征和样品辐照过程

本调查使用了通过粉末冶金生产的 W-Ni 重合金，测量密度为 16.5 g/cm³。该合金的名义化学成分为 96.2 wt.% W, 3.4 wt.% Ni 和 0.4 wt.% 其他金属杂质，总体纯度超过 99.99%。W-Ni 样品的辐照使用 EG-5 静电加速器（联合核研究所中子物理实验室）[28] 的高能离子进行，采用连续离子束，如

SRIM 模拟

进行了 SRIM-2008 全级联蒙特卡洛模拟，以评估 2.5 MeV He⁺ 辐照在建模的 W-Ni 靶层中诱导的主要碰撞过程和能量传递机制 50, 51。对于厚度为 40 ?、密度为 17 g·cm^-3 的 W-Ni 层，且 W 和 Ni 的位移阈值能量均为 25 eV，模拟预测每个入射离子平均产生 2.1 个空位；在大约 100,000 个模拟离子中，2,335 个被背散射，97,664 个

结论

本研究证明，两相 W-Ni 合金在 He⁺ 辐照下的缺陷演化受空位产生、氦并入和微观结构非均匀性耦合过程控制，因此不能仅由考虑空位空穴的模型充分描述。通过结合 PALS、DBS 和 EMD 与第一性原理计算，开发了一个自洽框架来评估可能的性质、演化及电子特征

CRediT 作者贡献声明

N.V.M. Trung: 写作 – 审阅与编辑，写作 – 原稿，软件，数据管理。 S.F. Samadov: 写作 – 审阅与编辑，写作 – 原稿，监督，调查，概念化。 E. Popov: 写作 – 原稿，软件。 A.A. Sidorin: 方法论，调查。 O.S. Orlov: 方法论，调查。 M.N. Mirzayev: 方法论，调查。 A. Tuyen Luu: 写作 – 审阅与编辑，概念化。 A.S. Doroshkevich: 方法论，调查。 M.N.

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能被认为影响了本报告中描述的工作。

致谢

本研究由国家科学与技术发展基金会 (NAFOSTED) 资助，项目代码为 103.02–2021.107。

S.F. Samadov|N.V.M. Trung|A.A. Sidorin|E. Popov|O.S. Orlov|A. Tuyen Luu|M.N. Mirzayev|M.N. Nasrabadi|A.S. Doroshkevich|V.H. Hai|A.S. Abiyev