Recrystallization, a critical issue that weakens the strength and thermal shock resistance of tungsten-based plasma-facing material in fusion devices, is effectively retarded by helium. In this study, the retarding effect of helium on recrystallization was studied using tungsten samples implanted by high-dose helium ions with doses ranging from 5 × 1021m−2 to 1 × 1023 m−2 at two temperatures (room temperature and 673 K), and followed by annealing temperatures ranging from 1573 K to 2073 K. The results show that helium in all six samples exhibits retarding effect, with recrystallization beginning until 1773 K. Notably, the sample implanted at 673 K with a dose of 5 × 1021 m−2 demonstrates the lowest recrystallization fraction of 13% at the annealing temperature of 1873 K, suggesting that the retarding effect weakens once the helium ion concentration exceeds a certain threshold. The hardness of high-dose helium ion-implanted tungsten samples exhibits distinct temperature-dependent patterns, different from the monotonic decline typically observed in previous helium-implanted tungsten samples. Additionally, the recovery of pinholes, created by the rupture of helium bubble, on {100} planes was observed to be the slowest, explained through molecular dynamics simulations. This work offers valuable insights into maintaining the retarding effect on recrystallization by tuning helium concentration in tungsten.
再結晶は、核融合装置におけるタングステン基プラズマ対向材料の強度と熱衝撃耐性を低下させる重大な問題であるが、ヘリウムによって効果的に遅延される。本研究では、室温と673 Kの2温度において、5 × 10^21 m^−2から1 × 10^23 m^−2の範囲の高線量ヘリウムイオンを注入したタングステン試料を用い、続いて1573 Kから2073 Kの範囲の焼鈍温度で、ヘリウムの再結晶に対する遅延効果を調べた。結果は、6つの試料すべてにおいてヘリウムが遅延効果を示し、再結晶は1773 Kまで開始しないことを示した。特に、673 Kで5 × 10^21 m^−2の線量を注入した試料は、1873 Kの焼鈍温度で最小の再結晶割合13%を示し、ヘリウムイオン濃度が一定の閾値を超えると遅延効果が弱まることを示唆している。高線量ヘリウムイオンを注入したタングステン試料の硬さは、これまでのヘリウム注入タングステン試料で典型的に観察される単調な低下とは異なる、明確な温度依存パターンを示した。さらに、{100}面上でのヘリウムバブルの破裂によって生じたピンホールの回復が最も遅いことが観察され、分子動力学シミュレーションによって説明された。この研究は、タングステン中のヘリウム濃度を調整することにより、再結晶に対する遅延効果を維持するための貴重な知見を提供する。