ZrC dispersion-strengthened W exhibits high strength/ductility, low ductile-to-brittle transition temperature, and excellent thermal shock resistance, making it a promising candidate plasma-facing material for future fusion devices. In this study, surface modification of 0.5 wt.% ZrC dispersion-strengthened W (WZrC) under low energy and high fluence He plasma irradiation at high temperature was presented. Under the energy of 90 eV and fluence ranging from 6 × 1024 He·m−2–2 × 1026 He·m−2 He irradiation at 920 °C, a typical fuzz nanostructure appeared on the W matrix of WZrC. The thickness of fuzz layer is proportional to the square root of He irradiation fluence. The fuzz showed comparable thickness and structural features to pure W, indicating limited effects of the particle's addition on resistance to high fluence He irradiation at high temperatures. Under continuous He injection, the fuzz would grow extending onto the particle area, making the particle obscured. Besides, the erosion behavior of particles under He plasma irradiation has been investigated, which is thought to be dominated by a sputtering process. Under the He influence of 6 × 1024 He·m−2, only nanopores were observed in the surface region. With fluence increasing to 5 × 1025 He·m−2, the surface became relatively uneven with larger holes. W aggregated in spots and distributed on the surface of the particle, which might be the result of subthreshold sputtering and deposition. When fluence further increased to 2 × 1026 He·m−2, the particles were eroded completely and covered by the extended fuzz, forming cavities. In addition, distinctive layered nanotendrils were observed above the cavities, which were characterized to consist of inner W-riched skeletons and outer Zr-riched layers. It indicates that the layered nanotendrils should be the result of fuzz extension combined with particle sputtering/deposition.
ZrC分散強化Wは、高い強度/延性、低い延性-脆性遷移温度、および優れた熱衝撃耐性を示し、将来の核融合装置向けのプラズマ対向材料として有望である。本研究では、高温における低エネルギー・高フルエンスのHeプラズマ照射下での0.5 wt.% ZrC分散強化W (WZrC) の表面改質について報告した。920 °Cにおいて、エネルギー90 eV、フルエンス6 × 10^24 He·m^−2〜2 × 10^26 He·m^−2のHe照射下で、WZrCのWマトリックス上に典型的なファズナノ構造が出現した。ファズ層の厚さはHe照射フルエンスの平方根に比例した。ファズは純Wと同程度の厚さと構造的特徴を示し、高温での高フルエンスHe照射に対する耐性に対する粒子添加の影響は限定的であることを示した。連続的なHe注入下では、ファズは成長して粒子領域上にまで広がり、粒子を覆い隠した。さらに、Heプラズマ照射下での粒子のエロージョン挙動を調査し、これはスパッタリング過程によって支配されると考えられる。6 × 10^24 He·m^−2のHe照射の影響下では、表面領域にナノ細孔のみが観察された。フルエンスが5 × 10^25 He·m^−2に増加すると、表面はより大きな孔を伴って比較的不均一になった。Wはスポット状に凝集し、粒子表面に分布した。これは、閾値下スパッタリングと堆積の結果である可能性がある。フルエンスがさらに2 × 10^26 He·m^−2に増加すると、粒子は完全に侵食され、伸展したファズに覆われて空洞を形成した。さらに、空洞の上方には特徴的な層状ナノテンドリルが観察され、内側のWリッチな骨格と外側のZrリッチな層から構成されていることが特徴付けられた。これは、層状ナノテンドリルが、ファズの伸展と粒子のスパッタリング/堆積が組み合わさった結果であることを示している。