書式設定, 書式設定,第 2 ,第 3 ,第 4 ,第 5 ,*,*,ASIPP,ASIPP,ASIPP, 書式設定, 書式設定,第 2 ,第 3 ,第 4 ,第 5 ,ASIPP, 書式設定, 書式設定,第 2 ,第 3 ,第 4 ,第 5 ,*,*,面向等离子体钨铜功能梯度材料的优化及服役性能研究,学生：朱大焕,导师：陈俊凌 研究员,中国科学院等离子体物理所博士学位论文中期检查,主要内容,1,2,3,4,课题提出及研究目标,研究进展,存在的缺乏,后续方案,2024/11/19,2,钨基,PFM,材料的应用优缺点,Interface cracking,W,CTE:4.510,-6,/K,Cu,CTE:1710,-6,/K,High heat flux,Cooling water,应力“歧点,优点：,低的溅射率,低的氚滞留,高的熔点,低的蒸汽压,高温力学性能,缺点：,低温脆性,中子辐照变脆,与热沉失配,高温重结晶,起泡，肿胀,课题提出,2024/11/19,3,解决方法：,Castellated,结构,过渡层,高塑变材料,OFHC,中间材料（热胀系,数介于钨和铜之间）,W/Cu FGM,2024/11/19,4,W/Cu FGM,研究策略,课题研究方案,热,-,结构分析：,温度场,残余热应力,工作热应力,材料成分及结构设计,材料制备,服役行为评价,优化制备工艺技术,设计优化,2024/11/19,5,W/Cu FGM,研究现状,设计,：,数值计算,有限元模拟,制备：,粉末冶金,烧结溶渗，热压烧结，熔铸,-,扩散，超高压烧结，放电等离子体烧结。,涂层方法,等离子体喷涂，激光熔覆，气相沉积。,性能评价,：,高热负荷性能评价,服役性能评价,PM-Thick layered FGM,VPS-Thin layered FGM,2024/11/19,6,研究目标,采用有限元热结构分析，针对未来稳态运行的钨铜模块界面进行梯度过渡层材料、结构和成分的优化；,进行等离子原位热流辐照实验，研究等离子辐照环境下的外表损伤及界面行为；,进行高热负荷性能测试，热响应过程及其热应力场分布外表应力分布，重点研究其高热负荷下的外表和界面行为。,主要内容,1,2,3,4,课题提出及研究目标,研究进展,存在的缺乏,后续方案,2024/11/19,8,W/Cu FGM,的热结构分析及优化,W/Cu FGM,的制备及表征,W/Cu FGM,的托卡马克等离子辐照性能,W/Cu FGM,的高热负荷性能研究,热-结构分析根底,传热学,传导和对流强制对流,稳态与瞬态传热,热应力,剩余应力，工作应力,有限元方法,序贯耦合法,非均匀材料力学,Voight，Ressu 和 kerner复合材料性能计算法那么,2024/11/19,9,2024/11/19,10,分析模型,设计与分析：,弹塑性模型,flat-type 护瓦型模块,剩余应力,工作应力5MW/m2,Plane 5542 单元,轴对称约束,温度相关的材料参数,映射网格界面附近 0.05mm,材料设计,2024/11/19,11,结论：,中间层材料需要一定的厚度来缓解应力和降低塑性应变,;,多层材料可明显降低应力，,PM-W/Cu FGM,在厚度方向有很大,伸缩性,，适合做中间层材料；,中间层可明显降低,塑性应变,，当厚度超过,0.5mm,时，塑性应变消失。,结构设计,2024/11/19,12,结论：,梯度层的层数超过4时，增加层数，热应力变化已经甚小(5%)，考虑层数增加造成工艺的复杂性，得出n=4是适宜的梯度层层数；,层数增加，应变先减小后增加趋于饱和；,厚度一定时，层数增加对温度的变化影响较小。,2024/11/19,13,结论：,梯度层的成分分布指数p影响应力的大小和分布，当p=1.41.8富钨时，剩余应力与热应力均到达极小；,p=1.4热应力由上界面向下界面转换， 考虑铜疲劳性能及导热1.4是适宜的梯度分布指数。,成分设计,W/Cu FGM,制备,2024/11/19,14,制备工艺：,通电超高压烧结技术,烧结机理,烧结梯度材料温度梯度,W / W alloy layer,W-20%Cu layer,W-40%Cu layer,W-60%Cu layer,W-80%Cu layer,pure Cu,Graded distribution,W/Cu FGM,梯度表征,梯度分布分析：,梯度界面清晰，较好的保持了设计的结构和成分，铜在超高压力下有塑性流动的趋势，但烧结时间短，抑制了扩散,W/Cu FGM,表层表征,2024/11/19,16,细晶粒纯钨层表征：,颗粒越大，烧结越充分，烧结致密度越高；,烧结后，颗粒并未长大，烧结具有细晶强化作用；,弥散颗粒参加后，对致密度影响不大，弥散颗粒分散均匀。,0.2,m,10,m,W/Cu FGM,表层表征,钨复合材料层热导率,2024/11/19,17,烧结钨的热导率较好，室温可到达150Wm-1k-1,弥散颗粒的参加会引起热导率的下降,W/Cu FGM,表征,2024/11/19,18,断口分析：,W-1%TiC,Pure W W-1%La,2,O,3,沿晶断裂为主，穿晶断裂为辅；,W-1%La,2,O,3,与纯钨的端口相似，而,W-1%TiC,却以穿晶断裂为主；,W/Cu,复合材料以铜相撕裂为主，同时与铜比例有关。,RSUHP 是制备功能梯度材料的有效方法，其能制备从纯钨向纯铜过渡的致密的W/Cu 功能梯度材料，其厚度和成分均能到达设计的要求，同时可以制备出细晶，颗粒弥散强化的纯钨层材料,RSUHP本身具备细晶强化的功能，弥散颗粒的细晶强化作用未能表达出来，但TiC 颗粒能对晶界起到强化的作用,制备的钨和钨复合材料的热导率室温到达120 Wm-1k-1以上,RSUHP 不适合纳米粉末的烧结，纳米粉末烧结体致密度低，不易成型,2024/11/19,19, Main parameters:,a,L,280mm,I,p,150KA,P,LHCD,350kW,Total shots 200 cycles,(typical,：,#111377#111587 ),Schematic of device,W/Cu FGM block,（,10 X 10 X 12mm,）,Sample support,W/Cu FGM,的托卡马克等离子辐照性能,失效行为,2024/11/19,21,宏观大尺度裂纹,微观溅射腐蚀，局部熔化，微观裂纹,失效行为,2024/11/19,22,Metallic elements,Before,After,W,99.8455%,99.8 %,Fe,0.0793%,0.08 %,Mo,-,0.06%,Cr,-,0.07%,Mn,-,0.06%,Ge,-,0.06%,Rh,-,0.06%,开裂行为,裂纹沿界面扩展,表一 外表元素XRF分析,外表成分,失效机理,2024/11/19,23,机理分析：,单次热加载，外表温度和应力并不高，但由于未主动水冷，温度和应力会累积;,表层钨的温度处于钨脆性阶段，易于在热冲击下产生大尺度裂纹；,微观裂纹来源于等离子边界输运的团簇效应造成的局部过热。,失效过程,2024/11/19,24,结论：,宏观裂纹产生于外表并扩展至界面，被铜抑制，最后沿界面横向扩展，造成界面开裂和表层脱落;,微观裂纹来源于等离子边界输运的团簇效应造成的局部过热，熔化后再凝固过程中的局部大热应力。,细晶强化效果,2024/11/19,25,a7m b1m c0.2m,晶粒细化可以明显降低裂纹损伤的程度，但由于通电超高压烧结的特性，纳米粉末的低烧结性能导致了外表层的脱落,颗粒强化效果,2024/11/19,26,W-1%La,2,O,3,参加的W-1%La2O3 颗粒，外表的裂纹损伤更严重，从裂纹形貌看，发现了很多桥接，说明弥散颗粒阻止了裂纹的扩展，但由于热导率的下降，外表积累了过多的热量，温度过高，热应力过大，使得出现了局部脱落,主要内容,1,2,3,4,课题提出及研究目标,研究进展,存在的缺乏,后续方案,存在的缺乏,HT-7本轮放电以短脉冲放电为主，未能到达预期的长脉冲条件，并缺乏相应的诊断措施，对过程只能倒推,烧结样品较小，未能进行稳态高热负荷界面评价，性能评价只能为制备工艺的设计和优化提供参考，而未能对梯度材料的结构，成分设计提供参考,瞬态高热负荷实验参数与预计偏差大，同时也与实际效应偏差大,2024/11/19,28,主要内容,1,2,3,4,课题提出及研究目标,研究进展,存在的缺乏,后续方案,后续方案,高热负荷性能研究,2024/11/19,30,强流脉冲离子束设备瞬态热负荷示意图,实验方案及样品已经准备好,实验仪器在预约等待时间中,论文成果,2024/11/19,31,文章成果：,1 朱大焕，王坤，王先平，刘长松，方前锋，陈俊凌，偏滤器第一壁W/Cu FGM的热应力模拟与优化设计J，稀有金属材料与工程，2021.9, 4091658-1661.,2 Zhu Dahuan, Liu Yang, Chen Junling, Yan Rong, Thermo-mechanical calculation on VPS-W coating used as the plasma facing materials in EAST, Plasma Science & Technology(accepted).,3 ZHU Dahuan, WANG Kun, WANG Xianping, CHEN Junling, et al Residual thermal stress simulation and analysis on CVD-W coating for fusion application, The fourteen Nuclear Physics conference of China, Sep. 1-5, 2021 Hefei, Anhui,4 D. H. Zhu, J. L. Chen et al. Surface cracking behaviors of sintered ultra-fine grained tungsten under the edge plasma irradiation, nuclear fusion and plasma physics,(submit),5 D. H. Zhu, J. L. Chen et al. Development of multi & thick - layered W/Cu functionally gradient material, will submit to Journal of nuclear material,(submit),6 鄢容，陈俊凌，朱大焕，刘洋，EAST等离子体辐照后第一镜外表光学特性研究,核聚变与等离子体物理.,7 Liu Yang, ZHU Dahuan, Chen Junling, Zhou zhangjian, Yan Rong, Exposure of W-TiC/Cu functionally graded materials in the edge plasma of HT-7 tokamak, Plasma Science & Technology.,2024/11/19,32,谢谢！,谢谢！,欢送提出珍贵建议！,