综述：在钨表面制备防护涂层以用于聚变反应堆中的等离子体面对材料：从工艺技术角度的研究进展 罗昆杰（Kunjie Luo）、 黄炳晨（Bingchen Huang）、 王水勇（Shuiyong Wang）、 赵万翔（Wanxiang Zhao）、 林乃明（Naiming Lin）、 李茂林（Maolin Li）、 王瑞（Rui Wang）、 范旭欣（Yuxin Fan）、 雷晨青（Chenqing Lei） 及李东阳（Dongyang Li） + 其他2位作者

《Coatings》：Fabrication of Protective Surface Layers on Tungsten for Plasma-Facing Material Application in Fusion Reactors: Research Progress from a Process Technology View Kunjie Luo, Bingchen Huang, Shuiyong Wang, Wanxiang Zhao, Naiming Lin, Maolin Li, Rui Wang, Yuxin Fan, Chenqing Lei and Dongyang Li + 2 authors

　　摘要 聚变技术的发展需要能够承受聚变等离子体边缘高温、侵蚀和激活作用的材料。钨（W）由于其高熔点、优异的热导率以及出色的抗溅射和抗保持性能，被视为可控热核聚变反应堆主腔室和偏滤器等离子体面对材料（PFMs）的首选候选材料。然而，在聚变反应堆运行过程中，W基PFMs在极端服务条件下容易出现复杂的严重表面劣化现象。这包括物理/化学溅射，导致材料损失和等离子体污染；氦气引起的起泡和毛刺形成，使热导率降低数个数量级；瞬态载荷引起的热疲劳裂纹；以及中子辐照脆化，导致硬化、膨胀和延展性丧失。为了克服这些问题同时保持材料的核物理性能，主要通过化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）以及喷雾和等离子体基表面改性技术制备了保护性表层。本综述从技术角度评估了在聚变反应堆中用于PFM应用的钨保护性表层制备的最新进展，从而为推进聚变反应堆的可行性并加速可持续聚变能源系统的实际实现提供了新的见解。

1. 引言
气候变化带来的紧迫全球挑战、有限化石燃料储备的加速耗尽，以及实现“双碳”目标的迫切需求——即先达到碳峰值再实现碳中和——要求我们向可持续的低碳能源基础设施进行转型[1,2,3]。在众多有前景的替代方案中，可控热核聚变尤其是氘-氚（D-T）反应（图1）因其独特的属性而脱颖而出：它本质上是安全的，产生的长寿命放射性废物可以忽略不计，并且所依赖的燃料资源在人类时间尺度上几乎是无穷无尽的[4,5,6]。成功实现聚变能源有望通过大规模、无碳的电力生产彻底改变全球能源格局，这种电力生产几乎不受燃料供应的限制，从而从根本上提高能源安全并大幅减少现有能源技术带来的负面环境影响[4,5,6,7,8]。在磁约束聚变（MCF）装置中，利用环形磁场拓扑结构稳定约束高温等离子体的托卡马克配置代表了开发能够利用核聚变发电的实际聚变反应堆的最先进和可行的途径之一（图2）[7,8,9,10,11,12]。尽管取得了显著进展，但在等离子体-材料相互作用、约束优化以及材料在极端聚变环境下的韧性方面仍存在重大科学和工程挑战。

图1. 通过复合核进行的D-T聚变反应示意图。D和T的结合产生一个4He复合核，并释放出3.52 MeV的4He和一个14.06 MeV的中子[4,5,6]。
图2. 托卡马克装置示意图[7]。
利用可控热核聚变能量对等离子体面对组件（PFCs）——主要是第一壁（面向等离子体的内衬）和偏滤器（管理热量和粒子排放的组件）——提出了极其严格的要求，因为它们必须承受极其恶劣的运行环境[13]。这些组件必须能够承受从10到20 MW/m2的极端稳态热通量（单位面积上的热能传递率），在先进概念中甚至更高。此外，PFCs还会受到间歇性瞬态热冲击（如ELMs期间的局部高温爆发）的影响，这种冲击接近GW/m2；受到强烈的14.06 MeV中子辐照，导致超过100 dpa（每个原子的位移，表明原子级别的损伤）的位移损伤；以及氦（He）的嬗变率超过1000 appm（百万分之几）。同时，它们还受到高通量（>1022–1024 m?2·s?1）、低能量（<100 ev）氢和氦等离子体的持续轰击[11,12,13,14]。总体而言，这些极端的温度、粒子束和辐照环境对等离子体面对材料（PFMs）提出了无与伦比的要求，需要它们在高温下具有卓越的热机械稳定性、出色的抗热冲击和循环疲劳性能、高效的热传导性、最小的物理和化学溅射侵蚀、几乎无燃料保留以避免氚积累，以及强大的抗辐照诱导退化的微观结构韧性。通过创新的材料设计和先进的表面工程策略来应对这些多方面的挑战对于聚变反应堆的可靠运行和长期稳定性至关重要，这也是聚变材料科学中的一个关键前沿领域[15,16,17]。
在磁约束聚变应用的众多候选PFMs中，钨（W）这种难熔体体心立方（bcc）金属被公认为是第一壁和偏滤器应用中的无可争议的优先选择，特别是在国际热核实验反应堆（ITER）中，预计将在示范反应堆（DEMO）中也使用[12,13,14]。这一优先选择是基于其出色的内在物理化学和机械性能，这些性能有效满足了聚变环境的极端多物理要求：极高的熔点（约3420 °C）、优异的低温强度和出色的热导率（在1200 K时约为170 W·m?1·K?1），这对于在高温下持续运行时有效散热和保持结构完整性至关重要，并能提供对高稳态（10–20 MW·m?2）和瞬态热载荷的关键韧性[15,16,17,18,19,20,21]。除了其热机械优势外，钨的高原子密度和低物理溅射产率也使其相比碳基材料具有显著更低的氚保留率——这是一个关键属性，有助于最小化设备内的燃料积累，从而提升运行安全性和氚库存管理措施。最后，钨内在的有利核激活和嬗变特性也有助于减少长期放射性废物负担，从而支持可持续的退役和废物管理途径[21,22,23]。综合这些多方面的特性，钨不仅被视为一种被动的结构元素，更是一种动态的工程解决方案，从根本上支撑了下一代聚变反应堆的可行性和可靠性。

尽管钨具有作为聚变反应堆PFM的卓越内在特性，但在磁约束聚变装置的极端运行环境中使用时仍面临重大且多方面的挑战[24,25,26,27,28,29]。主要障碍源于钨固有的冶金和辐照诱导的弱点，这些因素共同限制了其在恶劣聚变条件下的机械韧性和长期结构完整性。值得注意的是，钨表现出明显的脆性，并且具有相对较高的脆性-延展性转变温度（DBTT），这严重限制了其在反应堆运行期间通常遇到的低温到中等温度下的变形能力[23]。作为一种体心立方（bcc）金属，钨主要通过1/2<111>{110}滑移系发生变形。这种滑移系提供的滑移面和方向较少，与面心立方（fcc）金属中众多的密集排列的滑移系形成鲜明对比，从而限制了位错的移动性，导致延展性有限并且容易发生断裂[30]。杂质元素（如氧、氮、磷和硫）在晶界处的偏聚进一步加剧了钨的脆性，降低了钨的延展性[30]。此外，纯钨相对较低的再结晶温度（约1200 °C）引发了关于在运行热载荷下高温脆化的担忧。在长时间暴露于高稳态或瞬态热载荷下，钨的微观结构可能会发生部分或全部再结晶，通常伴随着晶粒生长和机械性能的退化。这种热脆化效应不仅损害了结构完整性，还降低了组件在聚变环境中承受循环热和机械应力的能力[29,30,31,32,33]。
图3. 钨作为核聚变反应堆中PFM的损伤机制示意图[29]。
为了解决这些重大挑战、减轻内在局限并提高钨作为聚变装置中PFM的适用性，这些装置的特点是运行条件越来越恶劣，包括更高的工作循环次数、更长的脉冲持续时间以及更高的中子壁载荷，人们投入了大量跨学科的研究工作来取得突破性进展。其中的核心是大幅提高钨的机械韧性和辐照耐受性，同时保持优异的热稳定性和低溅射产率。提高钨整体韧性的主要方法包括与铼（Re）、钽（Ta）或钒（V）等元素合金化，以细化晶粒结构、降低DBTT，并稳定微观结构特征，防止辐照引起的脆化和热退化。这些合金添加改变了位错动力学和晶界化学，从而在不牺牲钨内在高温强度的前提下增强了延展性[34,35,36,37,38]。除了合金开发外，加入细小的稳定第二相分散体（例如Y2O3、La2O3或TiC/ZrC等碳化物）可以实现氧化物分散强化（ODS），这可以固定晶界并限制位错运动，从而在严重辐照和热载荷下有效强化微观结构[39,40,41]。与内在微观结构改性并行的是，利用钨纤维（Wf/W复合材料）的外在增韧方法实现了裂纹桥接、偏转和能量耗散机制，显著提高了断裂韧性并减缓了灾难性失效模式，为延长钨组件的使用寿命提供了有希望的途径[42,43,44]。加工技术的进步进一步促进了钨性能的提升。采用了高压扭转（HPT）和等通道角压（ECAP）等严重塑性变形（SPD）技术，以及现代粉末冶金方法，制备出超细晶粒（UFG）或纳米结构钨，具有优化的晶粒尺寸分布和纹理演化。这些微观结构同时提高了延展性并保持了高温下的机械强度，为聚变装置中遇到的循环热载荷和辐照环境提供了必要的平衡[45,46]。同时，基于钨的合金的新型增材制造（AM）也因其在生成具有分级微观结构和定制成分的复杂几何形状方面的无与伦比潜力而引起了广泛的研究兴趣，这些成分非常适合聚变PFM应用[22,27,47,48]。含钨的难熔高熵合金（RHEAs）或含钨的难熔多主元素合金（RMPEAs）开辟了新的组成空间，其中协同的熵效应和晶格畸变效应实现了高强度、优异延展性和卓越的辐照耐受性的独特组合[23,28,49,50]。这些尖端材料平台有望通过在未来聚变反应堆的极端条件下提供前所未有的性能范围，为聚变材料科学开辟了一条变革之路。
在ITER决定将钨作为主腔室PFM的主要材料后，关于钨在聚变相关条件下的多方面影响的研究兴趣显著增加[16,17,18]。这一战略选择强调了解决钨内在挑战的紧迫性——如表面侵蚀、辐射诱导损伤和热疲劳——这些挑战对聚变反应堆组件的长期运行寿命和可靠性构成了重大威胁。因此，表面改性和保护性表层制备已成为提升钨近表面性能的关键补充策略，同时保持其在聚变反应堆中作为PFM的核心核物理优势[51,52,53,54,55,56,57,58,59,60,61,62,63,64,65,66,67]。本综述批判性地总结了在聚变反应堆中用于PFM应用的钨保护性表层制备的最新进展。通过阐明关键机制、性能指标和工程挑战，这一结构化的评估不仅总结了最近的实验和理论进展（创建了数据库并提供了参考信息），还指出了有前途的研究方向和关键研究空白，从而为开发具有更好耐用性和等离子体兼容性的下一代基于钨的PFMs提供了实用的框架。

2. 保护性层面的制备与特性
已经证实，钨在MCF装置中会受到多种表面劣化机制的影响，这些机制极大地损害了其作为PFM的性能[12,16,17,18,66]。这些损伤源于与高通量、低能量氢/氦等离子体、强烈中子辐照、极端热通量和杂质侵入的协同作用，导致侵蚀（材料损失）和等离子体污染、氦气引起的起泡和毛刺形成，从而大幅降低热导率、由循环瞬态引起的热疲劳裂纹以及由中子驱动的脆化，伴随着硬化、膨胀和延展性丧失[13]。为了减轻这些不利影响，在聚变反应堆中的W基PFMs上制备保护性表层已成为一种关键策略，利用石墨烯、碳化物或混合金属层来保护基底免受等离子体引起的侵蚀和辐照损伤[52,53]。过去几十年中，人们系统地探索和优化了多种先进的制备技术，以精确控制和沉积这些保护性表层。化学气相沉积（CVD）[54,55,56,57,58]、物理气相沉积（PVD）[59,60,61,62,63,64]和喷涂[65,66,67]是过去几十年中用于在石墨、碳纤维复合材料（CFC）、铍（Be）、超合金、铜（Cu）、钒（V）、钢和钨（W）等不同等离子体 f?rmungen（PFMs）上制备金属和/或非金属保护层的三种主要技术工艺[7,15,18,20]。这种材料科学创新与表面工程技术的融合为下一代具有更强耐用性和等离子体兼容性的钨等离子体 f?rmungen奠定了坚实的基础，极大地推进了在极端服务条件下实现核聚变装置可持续、长期运行的目标。

2.1 CVD 技术
CVD 仍然是一种基础且高度通用的技术，能够在钨（W）基材上沉积出致密、高纯度的金属和非金属保护层。作为一种原位气相沉积方法，CVD 涉及挥发性气体前驱体的可控化学反应，这些前驱体在基材表面分解或反应，从而形成具有优异均匀性和附着力的连续固体薄膜。这些表面反应通常是通过热激活实现的，尽管也可以通过使用等离子体辅助、光子源或其他先进能量输入来改进反应路径，以降低处理温度并修改薄膜特性[68]。CVD 最具吸引力的优势之一在于它能够在远低于目标相熔点的基材温度下沉积各种材料——从难熔碳化物和氮化物到超薄阻挡层和复合涂层，这些温度通常仅为沉积材料绝对熔点的一半到十分之一[54,56]。这种温度灵活性不仅减小了热诱导应力和基材降解，还提高了与复杂且对温度敏感的钨组件的兼容性。此外，CVD 特别适合用于沉积具有复杂几何形状的基材，包括三维（3D）拓扑结构、内部空腔以及高长宽比的结构——这些都是在下一代核聚变反应堆中常见的条件。CVD 薄膜本身的致密性质确保了在具有挑战性的表面形态上也能保持均匀的厚度，这对于维持一致的等离子体接触性能和降低局部失效风险至关重要。结合对沉积参数（如温度、压力、前驱体流量和反应动力学）的精确调节，CVD 能够对层的微观结构演变、相组成、化学计量比以及硬度、热导率和辐射抗性等功能特性进行精细控制[68]。这些特性使得 CVD 特别适合于需要均匀覆盖和最小残余应力的核聚变组件[68]。这种在原子和纳米尺度上工程化涂层的能力赋予了其卓越的性能优势，包括增强的抗侵蚀性、减少等离子体污染生成以及在循环热和辐照载荷下的机械完整性。

为了提高钨在强烈高能离子轰击下的生存能力，Renk 等人[54]利用 CVD 技术制备了连续且致密的三维（3D）铼（Re）树枝状涂层（图 4），作为惯性聚变能源（IFE）反应堆的第一壁材料。研究表明，传统的平状粉末冶金（PM）钨在桑迪亚国家实验室的重复高能脉冲功率-1（RHEPP-1）设施中受到脉冲氦离子照射时会出现不可接受的表面粗糙化和质量损失（图 5）。相比之下，具有复杂层次结构的铼树枝状涂层表现出显著提高的热稳定性和尺寸鲁棒性。这种改进主要归因于涂层能够将入射离子通量重新分布在大幅扩大的有效表面积上，从而减弱了局部热通量密度并限制了氦离子在材料中的植入深度（图 6）。性能的提升归因于有效表面积的增加，这减少了对大部分壁材表面的影响，并改善了微观结构特性。由此产生的表面纳米结构的抑制既来自于几何通量的稀释，也来自于微观结构韧性的提高，证明了 CVD 在工程化层次结构以减轻等离子体引起的损伤方面的能力。

2.2 PVD 技术
PVD，特别是磁控溅射变体，能够对薄膜的组成、微观结构和残余应力实现原子级控制，使其成为制造先进钨保护层的不可或缺的技术。与 CVD 不同，PVD 在更低的基材温度下进行操作，非常适合沉积致密且附着力强的薄膜[70]。目前，PVD 是一种重要的表面工程技术，为航空航天、汽车、电子和生物医学组件提供高硬度、耐磨性和耐腐蚀性以及热稳定性[70]。在等离子体 f?rmungen 的 PVD 应用中，Tiron 等人[71]通过反应多脉冲高功率脉冲磁控溅射（HiPIMS）在抛光石墨和硅基板上制备了一系列钨氮化物（WNx）涂层。

为了应对钨等离子体 f?rmungen 在极端聚变条件下的表面损伤问题，如溅射、熔化和纳米结构形成，Wang 等人[55]探讨了使用 CVD 制备金刚石涂层作为保护层的可行性。他们采用直流等离子体喷射 CVD 在三种钨基材（纯钨、含 1.0 wt.% La2O3 的钨和含 0.5 wt.% TiC 的钨）上沉积金刚石涂层。在沉积前，首先对基材表面进行了激光纹理处理，以创建均匀的微凹坑，从而增强涂层的附着力和成核。然而，在含 1.0 wt.% La2O3（图 8a）和含 0.5 wt.% TiC（图 8b）的基材上，涂层表面覆盖率不完整，这归因于第二相颗粒的存在，这些颗粒在沉积过程中破坏了热梯度和电荷分布，从而抑制了金刚石的成核和生长。相比之下，在相同的 CVD 条件下，纯钨基材实现了近乎完全且均匀的涂层覆盖（图 8c），这突显了基材化学性质对涂层完整性的直接影响。微观结构表征显示，纯钨上的金刚石薄膜具有定义明确的柱状晶体，平均晶粒尺寸约为 10 微米（图 9a），背散射电子成像确认了涂层是致密且均匀的，没有二次相的存在（图 9b）。这表明在背散射模式下只观察到一种颜色，说明纯钨上的金刚石涂层是完整且致密的。纯钨基材上的连续金刚石涂层厚度达到了约 45 微米（图 9d）。当纯钨和沉积的金刚石涂层暴露在 1.4 × 10^21 个离子 m^-2 s^-1 的 D 等离子束下 30 分钟后，没有明显的分层失效、显著的结构损伤或表面石墨化现象，整个金刚石涂层保持完整（图 10）。研究表明，CVD 生长的金刚石涂层可以作为有效的抗侵蚀屏障，减轻聚变相关极端条件下的等离子体引起的表面损伤，并减少钨的溅射。

在 Navarro 等人的研究中[58]，探讨了石墨烯作为低能氦和氘等离子体环境中多晶钨保护层的效果，以解决等离子体引起的表面退化这一关键问题。首先，使用 CVD 在 30 微米厚的铜箔上制备单层石墨烯；然后采用湿法转移技术将石墨烯转移到电抛光钨基板的一半上（图 11a）。这种创新设计允许在同一样品的不同部分进行涂层与未涂层区域的直接对比，从而消除了实验参数变化的影响，确保了结果的可直观性和可靠性。钨盘样品在 PISCES-A 线性偏滤器实验装置中同时受到高通量氦/氘（He/D）辐照。研究发现，140 电子伏特的氦离子对石墨烯造成的损伤小于 40 电子伏特的离子。这种反直觉现象可以通过高能离子更深入钨基材的穿透来解释，这减少了石墨烯涂层的表面反射和随之而来的二次损伤。引入石墨烯涂层显著抑制了低能氦等离子体辐照下钨表面的纳米结构形成（图 11b,c），而在最高辐照条件（3.6 × 10^25 He+/m^2）下，石墨烯完全非晶化，表明超过这一阈值会导致涂层完整性失效，这表明累积的辐照量是导致石墨烯退化的决定性因素。研究表明，石墨烯涂层有效减缓了形态演变，并在高离子辐照下减少了钨的“模糊”生长约 30%。从机制上讲，石墨烯既作为一种坚固的物理屏障，减少了纳米结构的成核和生长驱动力，又作为一种能量吸收体，消散入射离子能量，从而减轻了对下层钨基材的损伤。

总之，CVD 能够沉积出具有可调微观结构的复杂、致密的保护层。其主要优势——几何形状的多样性和精确的化学计量控制——使其适用于偏滤器单块组件，但在扩展到大面积组件以及管理厚涂层下的残余应力方面仍面临挑战。未来的 CVD 研究应重点关注混合工艺（例如，等离子体增强型 CVD）和原位修复方案，以满足核聚变反应堆中复合热、粒子和中子载荷下的均匀覆盖和长期稳定性的要求。

2.2.3 喷涂技术
喷涂技术，尤其是磁控溅射变体，能够对薄膜的组成、微观结构和残余应力进行原子级控制，使其成为制造先进钨保护层的不可或缺的技术。与 CVD 不同，PVD 在更低的基材温度下进行操作，非常适合沉积致密且附着力强的薄膜[70]。目前，PVD 是一种重要的表面工程技术，为航空航天、汽车、电子和生物医学组件提供高硬度、耐磨性和耐腐蚀性[70]。在等离子体 f?rmungen 的 PVD 应用中，Tiron 等人[71]通过反应多脉冲高功率脉冲磁控溅射（HiPIMS）在抛光石墨和硅基板上制备了一系列定制组成的钨氮化物（WNx）涂层。热解吸光谱（TDS）的结果表明，氮气充当了氘（D）的扩散屏障，减少了涂层内捕获的氘的数量，并将解吸温度提高到了750 K。这些发现证实了物理气相沉积（PVD）技术在创建抗扩散屏障方面的实用性，这种屏障可以有效减轻燃料的滞留问题——这是聚变反应堆中氚库存控制的关键问题，同时也解决了聚变反应堆安全和可持续性方面T物质管理中的一个关键挑战。为了补充这一方法，陈等人[62]使用射频（RF）磁控溅射技术在硅（100）和钨（W）晶圆上沉积了(NbMoTaW)V50薄膜，形成了独特的纳米通道结构，这些结构能够有效吸收氦气泡。在氦（He+）辐照下，这些纳米通道促进了氦在自由表面的优先吸收，使得气泡能够沿着晶界排列。这种微观结构与晶内氦原子向自由表面的扩散相结合，抑制了大氦气泡的成核和生长，从而增强了薄膜的抗蠕变能力和耐辐照性。这些发现引入了一种新的微观设计范式，即通过定制PVD涂层中的纳米结构来主动减轻氦引起的损伤，为开发在聚变相关等离子体环境下具有更长寿命的下一代PFM材料开辟了途径。

随着国际热核聚变实验组织（ITER）决定采用钨作为主PFM材料用于主腔室组件，研究人员对钨在聚变相关条件下的基本行为以及通过PVD技术进行先进表面改性的兴趣急剧增加[16]。为了解决聚变反应堆中类似边缘局域模式（ELM）的瞬态热冲击这一关键问题，程等人[72]在600°C下使用超高真空直流磁控溅射技术在商用钨基板上制备了纳米通道钨薄膜。为了获得不同的纳米通道密度，溅射功率分别设置为150 W和50 W，所得薄膜的厚度分别为约1 μm和10 μm，为方便起见分别命名为W-150W-1、W-50W-1和W-150W-10（见图14）。这些设计的纳米通道结构增加了自由表面的密度，有效增强了缺陷复合和应力松弛能力——这些机制克服了钨块体的固有局限性，如纳米结晶形式的低热导率和晶界处的有害应力集中。在强烈的等离子体辐照条件下，纳米通道钨薄膜经历了60 kW脉冲电子束（EMS-60）的辐照，吸收功率密度为0.16–0.43 GW/m2（100次脉冲，1 ms脉冲，室温），以及高强度脉冲离子束（HIPIB）的辐照，强度为1 J/cm2（80 ns，10–100次脉冲）。微观结构分析显示了卓越的抗裂纹能力（见图15和图16）。研究发现，在较高溅射功率（150 W）下沉积的纳米通道薄膜在高达0.28 GW/m2的功率密度下仍表现出相互连接的微裂纹网络，而不会出现灾难性断裂，这显著超过了钨块体的裂纹阈值（0.16–0.28 GW/m2），后者在相同条件下会出现广泛的晶界裂纹。在HIPIB辐照下，纳米通道薄膜表现出表面熔化（约200 nm层）和溅射诱导的减薄现象，同时保持了柱状晶体的完整性，这与钨块体在相同条件下随着脉冲次数的增加而出现微米级裂纹的情况形成鲜明对比（见图17和图18）。掠射角X射线衍射（GIXRD）测量量化了辐照后的残余应力，结果显示纳米通道薄膜的拉伸应力（452 MPa，在0.43 GW/m2功率下）明显低于钨块体（1268 MPa），并且在HIPIB作用下应力波动低于1000 a[19]。这些观察结果证实，纳米通道结构显著提高了氦诱导损伤向自由表面的移动能力，从而减轻了与辐照损伤相关的应力积累。总体而言，这种创新的纳米通道设计协同提高了耐受性和热机械稳定性，性能优于传统的钨材料，为DEMO相关聚变环境中的PFCs提供了一种可扩展且具有前景的表面工程途径。

图14. W-150W-1薄膜（a）、W-50W-1薄膜（b）、W-150W-10薄膜（c）的XTEM图像，以及商用钨块体的表面SEM图像（d）；插图显示了相应的表面SEM图像[72]。

图15. 在室温下，施加类似ELM的瞬态热冲击载荷后，纳米通道钨薄膜W-150W-1（a1–a3）、W-50W-1（b1–b3）和钨块体（c1–c3）的SEM图像。吸收功率密度分别为0.16 GW/m2（a1,b1,c1）、0.28 GW/m2（a2,b2,c2）和0.43 GW/m2（a3,b3,c3）。插图显示了相应的放大图像。（c2,c3）中的白色箭头指示了晶界的微观结构和微裂纹。相应的比例尺是统一的[72]。

图16. 在0.43 GW/m2吸收功率密度下，W-150W-1薄膜（a1,a2）的SEM图像，以及在0.28 GW/m2功率下，W-50W-1薄膜（b1,b2）的SEM图像[72]。

图17. 在室温下，W-150W-10薄膜（a1–a3）和钨块体（b1–b3）在HIPIB辐照下的SEM图像；能量密度约为1 J/cm2，脉冲次数分别为10次（a1,b1）、50次（a2,b2）和100次（a3,b3）。插图显示了相应的放大图像。相应的比例尺是统一的[72]。

图18. 在1 J/cm2能量密度和10次脉冲下，W-150W-10薄膜（a1,a2）和钨块体（b1,b2）在HIPIB辐照下的SEM表面和横截面图像。相应的比例尺是统一的[72]。

图19. 使用脉冲电子束（a）和HIPIB（b）辐照后的样品残余应力。示意图显示了钨块体（c）和W薄膜（d）在辐照下的应力演变情况。符号┬表示位错；颜色的深浅代表应力[72]。

基于这种创新的纳米结构，程等人[60]在873 K下使用超高真空直流磁控溅射技术在钨基板上沉积了具有纳米通道结构的CrMoTaWV高熵合金（HEA）薄膜，旨在显著提高W-PFMs在聚变反应堆应用中的耐辐照性。如图20a所示，在HEA纳米柱状晶体之间可以观察到清晰的纳米通道，这些柱状结构在横截面透射电子显微镜（TEM）图像中几乎垂直于水平方向。能量色散X射线光谱（EDS）映射结果（图20b）显示，所选区域的组成元素Cr、Mo、Ta、W和V分布均匀，原子比例分别为约17%、25%、25%、18%和15%。确认所得纳米通道HEA薄膜是连续且均匀的；它是由单相体心立方（bcc）结构构成的，优先生长方向为[110]方向（图20c,d）。这种纳米通道HEA薄膜将成分复杂性与定制的纳米结构结合起来，提供了更好的缺陷吸收能力和更强的耐辐照性，代表了开发聚变设备中弹性PFMs的一种变革性策略。

图20. 纳米通道HEA薄膜的微观结构。(a) 横截面TEM图像；(b) 来自(a)中白色框区域的EDS元素映射图像；(c) 表面SEM图像和横截面SEM图像；(d) 2D掠射角XRD图案[60]。

图21比较了纳米通道HEA薄膜、块体HEA和块体钨在1 × 10^24至3 × 10^26离子m^-2的流量范围内暴露于氦等离子体辐照后的表面形态和结构演变。初步的SEM观察（图21(a1,b1)显示，在1 × 10^25离子m^-2的氦等离子体辐照后，柱状结构的顶部表面没有明显的结构损伤。当流量增加到5 × 10^25离子m^-2时，纳米晶柱的顶层出现明显的损伤并演变为纳米多孔结构（图21(a2)）。当流量持续增加到1 × 10^26离子m^-2时，纳米通道HEA薄膜表面出现了特征性的模糊形态（图21(a3)），而在最高流量3 × 10^26离子m^-2时，纳米通道HEA薄膜的表面发生了广泛的破坏（见图21(a4)）。相应的横截面SEM图像（图21(b3)显示了120 nm厚的模糊层，而在最高流量3 × 10^26离子m^-2时，模糊层的厚度增加了两倍以上（见图21(b4)）。然而，在图22(c1)中可以看到，在1 × 10^25离子m^-2的氦等离子体辐照后，块体HEA表面出现了纳米多孔结构，并开始向模糊形态演变。当流量增加到5 × 10^25离子m^-2时，块体HEA的表面形成了模糊层（见图21(d2)），并且随着流量的进一步增加，模糊层分别增加到了400 nm和600 nm（见图21(d2)和图21(e2)）。如图21(e1)所示，在最低流量1 × 10^24离子m^-2时，W表面就出现了纳米多孔结构，而图21(f2)显示在5 × 10^24离子m^-2的辐照后形成了160 nm厚的模糊层。当流量增加到3 × 10^26离子m^-2时，模糊层的厚度迅速增加到了2.5 μm（见图21(f6)），这大约是在相同条件下纳米通道HEA薄膜上形成的模糊层的10倍。显然，可以得出结论：在低能量氦等离子体辐照下，纳米通道HEA薄膜的耐辐照性优于块体钨。

图21. 在1 × 10^24至3 × 10^26离子m^-2的流量范围内，被氦等离子体辐照的样品的表面形态SEM图像及其相应的横截面SEM和TEM图像。(a1–a4,b1–b4)纳米通道HEA薄膜，(c1–c4,d1–d4)块体HEA，(e1–e6,f1–f6)块体钨。图(a1–a4,b1–b4,c1–c4,d1–d4,e1–e6,f1–f6)中的刻度条是相同的[60]。

图22. 不同流量下氦等离子体辐照的TiZrHfTaW薄膜的XRD[61]。

基于上述发现，Ge等人[61]使用超高真空直流磁控溅射技术在钨盘上成功制备了含有钨的难熔多组分合金（TiZrHfTaW）薄膜。从图22中可以清楚地看到，新沉积的TiZrHfTaW薄膜具有非晶结构，而在氦等离子体辐照后，非晶结构发生了结晶，这一点通过掠射角X射线衍射（GIXRD）得到了证实。如图23a,b所示，原始的非晶TiZrHfTaW薄膜相对致密且光滑，厚度约为1.2 μm。元素映射（图23c）确认了Ti、Zr、Hf、Ta和W在薄膜表面的均匀分布。定量EDS分析得出Ti:Zr:Hf:Ta:W的原子比约为12:16:18:25:28，这有助于计算表明固溶体形成的经验参数（原子尺寸失配δ = 5.2%，热力学参数Ω = 8.3）。尽管热力学标准表明单相固溶体是稳定的，但溅射过程本身的快速冷却效应有助于保持非晶态。

图23. 原始TiZrHfTaW薄膜的横截面(a)和平面形态(b) SEM图像以及EDS元素映射图像(c) [61]。

如图24(a1,a2)所示，在1275 K下，5 × 10^24离子/m^2的低流量氦等离子体辐照后，块体钨表面形成了约100 nm厚的模糊结构。相比之下，在5 × 10^24至1 × 10^26离子/m^2的流量范围内辐照的TiZrHfTaW薄膜上没有明显的模糊结构；仅观察到了不同程度的膨胀和微观结构演变（图24(a3–d3,a4–d4)）。从图24(a1–d1)可以看出，块体钨上的模糊结构在约5 × 10^24离子/m^2的流量下开始形成，并在3 × 10^26离子/m^2时增长到约4.2 μm。值得注意的是，图24(d3,d4)显示TiZrHfTaW薄膜在1 × 10^26离子/m^2的流量下抑制了模糊结构的形成。当流量增加到5 × 10^25离子/m^2时，块体钨表面形成了模糊层（见图21(d2)），并且在流量增加到1 × 10^26和3 × 10^26离子/m^2时，模糊层分别增加了400 nm和600 nm。如图21(e1)所示，在最低流量1 × 10^24离子/m^2时，W表面也出现了纳米多孔结构，而图21(f2)显示在5 × 10^24离子/m^2的辐照后形成了160 nm厚的模糊层。当流量进一步增加到3 × 10^26离子/m^2时，模糊层的厚度迅速增加到了2.5 μm（见图21(f6)），这大约是纳米通道HEA薄膜在相同条件下的10倍。显然，可以得出结论：在低能量氦等离子体辐照下，样品的耐辐照性排序为：纳米通道HEA薄膜 > 块体HEA > 块体钨。将HEA与纳米通道结构结合使用，代表了一种提高PFMs在聚变环境中耐久性的有前景的方法，有效减轻了He+辐照引起的微观结构退化。

图21. 在1 × 10^24至3 × 10^26离子m^-2的流量范围内，被氦等离子体辐照的样品的表面形态SEM图像及其相应的横截面SEM和TEM图像。(a1–a4,b1–b4)纳米通道HEA薄膜，(c1–c4,d1–d4)块体HEA，(e1–e6,f1–f6)块体钨。图(a1–a4,b1–b4,c1–c4,d1–d4,e1–e6,f1–f6)中的刻度条是相同的[60]。

图22. 不同流量下氦等离子体辐照的TiZrHfTaW薄膜的XRD[61]。

在此基础上，Ge等人[61]进一步发展了非晶结构，使用超高真空直流磁控溅射技术在钨盘上制备了含有钨的难熔多组分合金（TiZrHfTaW）薄膜。从图22中可以清楚地看到，新沉积的TiZrHfTaW薄膜具有非晶结构，而在氦等离子体辐照后，非晶结构发生了结晶，这一点通过掠射角X射线衍射（GIXRD）得到了证实。如图23a,b所示，原始的非晶TiZrHfTaW薄膜相对致密且光滑，厚度约为1.2 μm。元素映射（图23c）确认了Ti、Zr、Hf、Ta和W在薄膜表面的均匀分布。定量EDS分析得出Ti:Zr:Hf:Ta:W的原子比约为12:16:18:25:28，这有助于计算表明固溶体形成的经验参数（原子尺寸失配δ = 5.2%，热力学参数Ω = 8.3）。虽然热力学标准表明单相固溶体是稳定的，但溅射过程中的快速冷却效应有助于保持非晶态。

图23. 原始TiZrHfTaW薄膜的横截面(a)和平面形态(b) SEM图像以及EDS元素映射图像(c) [61]。

图24(a1,a2)显示，在1275 K下，5 × 10^24离子/m^2的低流量氦等离子体辐照后，块体钨表面形成了约100 nm厚的模糊结构。相比之下，在5 × 10^24至1 × 10^26离子/m^2的流量范围内辐照的TiZrHfTaW薄膜上没有明显的模糊结构；仅观察到了不同程度的膨胀和微观结构演变（图24(a3–d3,a4–d4)）。如图24(a1–d1)所示，块体钨上的模糊结构在约5 × 10^24离子/m^2的流量下开始形成，并在3 × 10^26离子/m^2时增长到了约4.2 μm。值得注意的是，图24(d3,d4)显示TiZrHfTaW薄膜将模糊结构的形成限制在≥1 × 10^26离子/m^2，这使得模糊阈值提高了20倍。此外，即使在最大测试流量3 × 10^26离子/m^2下，TiZrHfTaW薄膜上的模糊层仍然非常薄（150 nm），几乎是相同条件下块体钨形成的模糊层的1/28（见图24(e2,e4)）。这种模糊生长的显著抑制体现了多元素难熔成分和非晶态微观结构在减轻He+辐照引起的纳米结构演变中的协同效应。表面形态及其对应的横截面扫描电子显微镜（SEM）图像显示，样品在氦（He）等离子体辐照下的通量范围为5 × 10^24至3 × 10^26离子/平方米：(a1–e1,a2–e2)整体钨（W）；(a3–e3,a4–e4) TiZrHfTaW薄膜[61]。图25展示了TiZrHfTaW薄膜在氦等离子体辐照下的内部微观结构演变过程，证实了“毛茸茸”结构的形成和增长机制。这一过程分为两个阶段，被称为“迁移阻隔”机制，这是非晶TiZrHfTaW薄膜具有优异抗辐照性的关键因素。当氦原子植入薄膜后，它们迅速扩散，有效延缓了大规模次表面氦气泡的形成，并防止其随后导致表面破裂形成毛茸茸结构。非晶基体中的大量自由体积起到了有效的“陷阱”作用，捕获并容纳氦原子，在整个薄膜中形成均匀分布的纳米级气泡。随着辐照通量的增加，这些气泡逐渐聚合并扩展成纳米多孔结构，进一步阻碍了氦原子的内扩散，从而抑制了毛茸茸结构的传播。在高通量长时间辐照下，过高的氦气泡压力加上元素移动性的增强，导致纳米多孔框架变得不稳定，最终引发从纳米多孔非晶态到纳米晶态HEA的相变。这种非晶态-纳米多孔态-纳米晶态的顺序相变过程显著延缓了薄膜表面的毛茸茸结构发展，同时也证实了其在聚变反应堆中保护钨等离子体 face（PFM）的潜在应用。

图25. 随着辐照通量增加，TiZrHfTaW薄膜形态变化的机制图（a）；氦等离子体辐照下整体金属玻璃的预测示意图（b）[61]。尽管保护机制不同——纳米通道钨中的界面主导湮灭机制、纳米晶态金属合金（HEA）中的熵稳定机制以及非晶薄膜中的无序介导的缺陷不敏感性机制——但它们都集中在协同控制氦原子动力学和缺陷数量上。成分（多元素混合以实现熵效应）和结构（纳米通道以提高渗透性）同样不可或缺，这一点通过对不同辐照通量的比较和毛茸茸结构厚度的测量得到了验证。这些物理气相沉积（PVD）技术的进步凸显了分层设计在延长钨材料在聚变相关条件下的使用寿命方面的潜力[29,63,64,73,74]。

2.3 喷涂技术
喷涂工艺，包括热喷涂（TS）和冷喷涂（CS），被广泛认为是一类先进的涂层技术。这些方法涉及以高速将半熔融或固态颗粒沉积在基材表面，在航空航天、工业燃气轮机、汽车制造、冶金和生物医学工程等领域有着广泛应用[75,76]。由于其相对较低的成本、较高的沉积速率以及能够沉积复杂形状的表面的能力，喷涂技术越来越受到用于聚变反应堆应用中钨涂层沉积的关注[65,77]。例如，Wang等人[78]和Chong等人[79]多年前就使用等离子喷涂（PS）技术在铜（Cu）基材上制备了钨涂层作为PFM。Grammes等人[80]和Mishra等人[81]通过PS技术在钢基材上制备了功能梯度钨/EUROFER Steel涂层。此外，Dezaki等人[82]使用屏蔽轴喷射大气等离子喷涂（APS）工艺在304不锈钢（SS）上制备了钨-铜功能梯度材料（FGM）涂层。Neu等人[83]利用CS技术在P92钢上制备了钨/钽（W/Ta）涂层，用于等离子体面对（PLasma Facing）应用。在聚变反应堆的极端工作条件下，为钨基材制备保护性表面层已成为提高材料寿命的关键策略。Daram等人[66]研究了一种新的修复方法，将大气等离子喷涂（APS）与摩擦搅拌处理（FSP）结合使用，作为沉积后的协同处理工艺。这项研究强调了对于钨这种主要材料（因其高熔点、优异的热导率和抗辐照性）来说，经济高效且高效的修复技术的必要性。该方法允许在钨基材上沉积厚达1毫米以上的钨涂层，确保尺寸恢复和高强度结合（图26）。研究表明，带有气体屏蔽的APS能有效抑制飞行中的氧化作用，使涂层中的氧含量降低了25%（图27）。如图28所示，FSP通过促进动态再结晶进一步细化了APS沉积的钨覆盖层的微观结构，显著减小了晶粒尺寸和孔隙率。这种微观结构的改进使得微观硬度提高了约37.5%，高于基材，并且比原始喷涂材料高出203.5%，同时保持了良好的尺寸恢复和界面结合性能。这些发现证实了APS-FSP联合方法作为原位修复和增强钨PFM组件的高效、经济策略的可行性。这种集成技术不仅恢复了几何精度和机械强度，还增强了涂层在严苛热负荷和强烈辐射场下的韧性。

图26. 未使用屏蔽气体的APS工艺制备的钨涂层照片[66]。
图27. 使用屏蔽气体时不同喷涂距离制备的钨涂层照片（a）以及使用屏蔽气体通过APS工艺制备的W涂层（样品16）的BSE微观图（b）[66]。
图28. FSP处理前后W覆盖层的BSE微观图、反向极图（IPF）和核平均错位（KAM）[66]。

为了承受聚变反应堆内的恶劣条件，如高热通量和中子轰击，Schmidtmann等人[67]对低压等离子喷涂（LPPS）工艺参数进行了全面优化，以在纯钨基材上制备钨涂层。他们采用实验设计（DoE）方法来最小化孔隙率、最大化沉积效率（DE）并控制残余应力。LPPS的特点是能够快速形成硬熔材料的涂层。研究表明，在基材附近的底部区域由于颗粒多次撞击而表现出超低孔隙率（约0.3%–0.4%），而最顶层由于部分未熔化的颗粒而表现出较高孔隙率（3.8%–4.9%）。厚度约为500微米的涂层需要重复喷涂20次，整个深度内显示出均匀的柱状晶粒，最大Feret直径约为1–1.25微米，长宽比约为0.4–0.5，表明没有方向依赖性或焓诱导的变化（图29）。结果表明，LPPS在成本效益、高质量和原位修复方面具有潜力，适用于聚变环境中的钨应用，能够在高热通量条件下实现接近块体材料的密度，同时最小化氧化倾向。涂层的致密结构和降低的氧化倾向为抵御高温通量负荷和中子引起的损伤提供了有效途径，增强了下一代聚变设备中等离子体面对组件的寿命和可靠性。

图29. 使用不同参数（a,c）和SE模式制备的多孔涂层；使用相同参数（b,d）和BSE模式制备的致密涂层；不同放大倍数下的多孔涂层和致密涂层（e,f）[67]。

此外，Schmidtmann等人[84]通过在保护性氩气氛围下优化LPPS参数，在钨基材上成功制备了厚度为300微米的致密钨涂层，以最小化氧化和孔隙率。随后，这些涂层在线性等离子体装置PSI-2中接受了氖（Ne）和D（D）等离子体的溅射测试，以评估溅射抗性和D元素的保留能力，并与块体钨样品进行了对比。在溅射抗性评估中，样品在100电子伏特（eV）的离子能量、5.2 × 10^20离子/平方米·秒的通量和65摄氏度的温度下接受了溅射处理。聚焦离子束（FIB）标记分析显示，LPPS涂层的表面凹陷深度为1.95–2.21微米，对应的质量损失为3.73–4.23毫克（假设相对密度为99.7%）。这些值相对于块体钨样品仅增加了13%，表明在相同条件下表面凹陷深度减少了1.95微米，质量损失减少了3.73毫克。因此，LPPS涂层的溅射产率确定高出14%–25%，这可能归因于涂层精细的晶粒结构、较低的残余孔隙率（约0.3%）以及可能的离子入射角度变化，但仍符合聚变应用的适用范围。D元素保留实验在73电子伏特（eV）、3.8 × 10^21离子·米^-2·秒的通量和250摄氏度的温度下进行。核反应分析（NRA）结合热脱附光谱（TDS）显示，与块体钨相比，LPPS钨涂层的D元素保留能力显著降低。值得注意的是，W涂层的D元素保留率低于块体钨，在240–280摄氏度下的脱附峰低于参考值420摄氏度，表明由于工艺引起的微观结构特征（如增强的晶界密度和控制的孔隙率）促进了氢同位素的释放。相应地，TDS光谱显示涂层的D2脱附峰降低，表明其具有更好的抗燃料累积性能，有助于减轻聚变反应堆中的脆化和氚积累问题。这些发现凸显了LPPS在制备具有类似或优于块体钨的溅射抗性和燃料保留性能的钨涂层方面的多功能性，同时具备经济高效的原位修复能力。这种能力使得LPPS涂层成为下一代聚变反应堆中坚固PFM的有希望候选者。

在化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）和喷涂技术中，一个统一的设计原则逐渐显现：分层结构特征与多组分成分工程之间的协同作用决定了缺陷容忍度、热导率保持、溅射抵抗性和长期稳定性之间的平衡。表1总结了钨基材上代表性保护层的关键特性、优势、局限性和与聚变相关的性能指标。表1表明，没有一种技术是普遍 superior 的；PVD纳米通道和非晶薄膜在高压氦环境中通过缺陷管理表现出色，而CVD和喷涂方法更适合热负荷管理和厚层修复。未来的研究必须优先考虑结合多种技术优势的混合策略，并通过多尺度建模和反应堆验证测试来开发出既坚固又多功能的保护层，以满足严格的寿命和安全要求。

表1. 钨基材上保护性表面的比较总结。

2.4 基于等离子体的表面修饰技术
等离子体浸没离子注入（PIII）可以无视线限制地将高能离子引入近表面区域，产生压缩应力并形成缺陷陷阱，从而提高聚变反应堆中钨等离子体 face（PFM）的辐射耐受性[85]。Yousaf等人[86]在感应耦合等离子体（ICP）腔室内对纯钨和含钨合金（W-HA，NAECOMET 1000，90W–6Ni–4Cu）进行了系统的等离子体离子注入实验，实验条件模拟了聚变相关的氦轰击环境。使用3 keV的He+离子，通量范围为1.15 × 10^21至2.21 × 10^22 m^-2，研究发现两种材料的表面演化行为存在显著差异。纯钨随着通量的增加逐渐出现经典的毛茸茸结构，伴随着纳米级氦气泡、气泡形成、开裂、局部熔化和最终在最高剂量下的重新固化。相比之下，W-HA表现出不同的反应，其中Ni/Cu粘结相在所有注入条件下始终发生熔化和开裂。值得注意的是，这种延展性的粘结相有效延缓了毛茸茸结构的形成，并降低了毛茸茸结构的密度。原子力显微镜（AFM）结果证实了这些发现，显示W-HA的表面粗糙度（Rq）增加幅度远低于纯钨。X射线衍射（XRD）分析显示纯钨发生了晶格膨胀，W-HA则出现了压缩应变，同时两者都表现出晶粒生长趋势，表明氦原子引发了显著的晶格畸变。X射线光电子能谱（XPS）检测到植入后两种材料的近表面氧化（>97% WO3），这归因于等离子体引起的表面粗糙度增加的有效表面积。总体而言，这些发现表明W-HA中的Ni/Cu粘结相通过机械适应和应变调节部分抑制了毛茸茸结构的生长，但由于其熔点低，在持续氦等离子体暴露下仍存在关键脆弱性。

Guenette等人[87]通过微波等离子体增强化学气相沉积（MW-PECVD）技术制备了厚度约为3–5微米的微晶金刚石薄膜，使用1微米 diamond粉末作为种子，并保持基材温度在800摄氏度，从而实现了约1微米的晶粒尺寸。在沉积之前，基底经过了短暂的（1分钟）H2等离子体清洗步骤，以优化表面条件。沉积气氛由99.3%的H2和0.7%的CH4组成，总流量为500 sccm，在53 mbar的腔室压力下施加1.5 kW的微波功率，持续时间为24小时。所沉积的金刚石薄膜在直线磁化装置Magnetized Plasma Interaction Experiment (MAGPIE)中暴露于与聚变相关的氢等离子体中。采用了近边X射线吸收精细结构（NEXAFS）光谱技术，分别进行了对表面敏感的奥杰电子产额（AEY，探测深度约5 nm）和对体积敏感的总荧光产额（TFY，衰减长度约40 nm）的测试。金刚石典型的电子特征——明显的σ*核心激子峰位于289.2 eV处以及第二个绝对带隙凹陷位于302.5 eV处——在等离子体处理后AEY光谱中显著减弱或完全消失，而且损伤程度与施加的偏压呈正相关。相比之下，TFY光谱与未暴露的参考样品基本保持不变，表明结构缺陷仅限于近表面区域。补充的Stopping and Range of Ions in Matter (SRIM)模拟量化了125–500 eV H离子的最大穿透深度及相关碳反冲作用，其结果与AEY的探测深度高度吻合。有趣的是，等离子体处理导致非金刚石相（sp2和C–H）的优先蚀刻，形成了特征的阶梯状金刚石表面，同时保持了结晶sp3体网络的完整性。综上所述，这些发现表明，化学气相沉积的金刚石在聚变相关氢等离子体下具有出色的抗侵蚀性，损伤仅限于离子植入深度，而没有可检测到的体相退化。因此，金刚石覆层或类似的PECVD衍生碳质涂层成为W-PFMs的一种变革性保护策略，既能抑制表面绒毛生长和物理溅射，又能保持钨的基本热物理性能。

在Lei [88]的研究中，通过双辉等离子体表面合金化（DGPSA）技术成功在W基底上制备了HfNbTaTiZr高熵合金涂层，以提高PFMs在聚变环境中的辐射耐受性。采用优化后的工艺参数：950 °C、300 V的阴极-源偏压差、35 Pa的工作压力以及3小时的停留时间，制备出了由沉积层和扩散层组成的致密均匀涂层。在低能量、高通量He+辐照（30 eV，2.75 × 10^21离子/m^2·s^-1，累积注量7.425 × 10^24离子/m^2）下，裸露的W基底形成了均匀的绒毛纳米结构。相比之下，HEA涂层的样品仅表现出早期阶段的波浪/梯田状形态或高度局部的绒毛，表面损伤显著减少。辐照后的表征显示，优化涂层内的元素分离现象可以忽略不计，表面形貌仅限于微小的梯田和波浪状，而元素组成与沉积状态基本保持不变。这些结果有力证明了HfNbTaTiZr高熵合金涂层中多主元素的复杂性和较高的配置熵有效阻碍了氦气泡的生成、扩散和聚集过程，从而减缓了绒毛的生长。这项工作不仅确立了双辉等离子体表面合金化作为在钨基底上制备坚固、耐氦表面层的可行且可扩展的技术，还强调了其保持W基底固有热物理性能的潜力。总体而言，这些发现为设计下一代保护涂层指明了方向，有望延长未来聚变反应堆中PFMs的使用寿命和性能稳定性。

3. 总结与展望
选择最佳PFMs仍然是下一代核聚变反应堆工程设计的核心挑战。几十年来，材料科学家们一直在努力开发能够抵御聚变环境中多种极端条件的先进PFMs——从强烈的热流到持续的等离子体侵蚀，再到高能中子辐照引起的广泛损伤。在这方面，通过制备保护层进行表面工程已成为一种变革性策略，以提高材料的耐用性、热管理能力和辐射耐受性，从而满足长脉冲、高工作循环聚变设备的严格要求。本综述总结了W表面改性在聚变反应堆应用方面的显著进展，特别关注了通过CVD、PVD、喷涂和基于等离子体的表面改性技术制备的保护性表面层。这些方法能够工程化复杂的表面结构，减缓降解过程的同时保持W基底的固有热物理优势。

在这些多样的方法中，有一个统一的设计范式：层次结构复杂性和多组分化学组成的刻意协同整合，调控了缺陷适应、热导率保持以及在聚变等离子体特有的热、机械和辐照应力下的持续稳定性之间的微妙平衡。展望未来，该领域必须采用由新兴的计算材料科学、高通量合成技术以及先进的原位和体外表征技术支持的集成化设计框架，以高效探索广泛的组成和微观结构设计空间。未来的研究方向包括：（1）多尺度计算建模，以阐明真实聚变条件下的缺陷演变动态和涂层-基底相互作用；（2）建立下一代亚稳态和多功能材料系统的稳健加工-结构-性能关系；（3）设计和优化多功能涂层架构，以实现有效的热流散射、抗溅射和氚渗透屏障性能；（4）与标准化的聚变反应堆鉴定协议相一致的全面长期性能验证。这些多方面的努力将加速开发出具有韧性的多功能保护层，为未来聚变电站中面向等离子体的组件的可靠运行奠定基础。