【摘要】：本文采用航空航天7075鋁合金作為實驗對象,并用氦離子注入的方法來模擬太空中氦離子輻照對該鋁合金造成的損傷。研究工作主要圍繞輻照過程的SRIM模擬計算、鋁合金的表面形貌改變、離子輻照層中輻照缺陷與微觀組織演變三個方面進行,并探討這些缺陷損傷所產生的原因。本次實驗中,氦離子注入的劑量分別為10~(15) ions/cm~2、10~(16) ions/cm~2和10~(17) ions/cm~2,并使用光學顯微鏡(OM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、能譜分析儀(EDS)、原子力顯微鏡(AFM)、X射線衍射分析儀(XRD)和透射電子顯微鏡(TEM)等實驗設備系統分析了輻照前后的7075鋁合金。研究結果如下:SRIM-2008模擬軟件計算得出50keV氦離子在7075鋁合金中的能量損失、離子射程和濃度分布;反沖原子(Al、Zn、Mg、Cu)的分布情況與移位能、晶格束縛能和表面濺射能;碰撞過程中產生的點缺陷和濺射現象等。SRIM進一步分析表明,氦離子輻照將導致原子離位損傷,當注入劑量為10~(17)ions/cm~2時,離位損傷的峰值約為6dpa,10~(16)ions/cm~2的離位損傷峰值為0.6dpa,而10~(15)ions/cm~2的損傷量為0.06dpa。就單個氦離子在7075鋁合金的傳輸而言,將會在合金中導致97次晶格原子離位,這其中包括4次置換撞擊和產生93個空位。恰恰是級聯碰撞所造成的點缺陷以及作為雜質的氦原子是輻照損傷的根源。輻照坑和微裂紋是輻照7075鋁合金樣品表面觀察到的主要損傷形貌,輻照坑基本分布于顆粒相S(Al_2CuMg)上,微裂紋主要分布于顆粒相Al_7Cu_2Fe之上。隨著注入劑量的增加,點蝕坑的數量越來越多,尺寸也持續(xù)長大,甚至成長為孔洞,并在其周圍形成微裂紋。正是如此,氦離子輻照會導致鋁合金表面粗糙度增加。此外,氦離子輻照會導致表面S(Al_2CuMg)相和Al_7Cu_2Fe相出現一定程度的縮小與缺失,這一現象會隨著輻照劑量的增加而變得愈加嚴重。同樣,氦離子輻照對材料表層微觀結構的變化有著很大的影響。輻照引起的點缺陷及團簇導致了晶格畸變,并在晶體中產生了壓應力。此外,氦離子輻照沒有產生新相,反倒是晶粒中MgZn_2相變少了。除此之外,入射氦離子與7075鋁合金中的原子發(fā)生碰撞后,產生的高密度點缺陷和注入氦原子會形成超飽和固溶體和高的應力區(qū),從而引起位錯、位錯環(huán)和氦泡等輻照缺陷的出現。位錯密度會隨著輻照劑量的增加而變大,且位錯的移動與聚集會產生不同形態(tài)的位錯結構。當輻照劑量為0.6dpa時,輻照樣品中不僅出現了大量位錯,還觀察到了位錯墻及亞晶結構。當輻照劑量為6dpa時,輻照鋁合金的亞晶中同樣出現了致密的位錯纏結。除此之外,在0.6dpa劑量下觀察到大量尺寸較小的氦氣泡,劑量增加到6dpa時氦泡的尺寸相對0.6dpa時的氦泡尺寸變大。除了氦泡,在6dpa劑量下也觀察到位錯環(huán),且位錯環(huán)與氦泡的出現會阻止位錯的移動。
【學位授予單位】：江蘇大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：V252.2
【圖文】：

1.變形鋁合金；2.鑄造鋁合金；3.非熱處理強化鋁合金；4.熱處理強化鋁合金圖 1.1 鋁合金的分類Fig.1.1 The classification of aluminum alloys處理強化的鋁合金不能通過熱處理的方法進行強化，這是因為溫不能引起相變化，工業(yè)純鋁(1×××系)、Al-Mn 合金(3×××系××系)這三類鋁合金均是非熱處理強化鋁合金。但是這類合金具因此又被稱作防銹鋁。熱處理強化的鋁合金可以通過熱處理的一般是通過固溶處理加時效處理的方式來強化合金材料，Al-系)、Al-Mg 合金(5×××系)，Al-Mg-Si 合金(6×××系)和 Al-Zn-M)都是可熱處理強化的鋁合金。由于這部分鋁合金的強度很高，、超硬鋁。鋁合金根據主要合金化元素的不同[27-28]，可以分為四大類：(作為主要合金元素，進一步提高合金的鑄造性能，Al-Si 共晶

圖 1.2 輻照產生的基本缺陷示意圖Fig.1.2 The schematic of basic defects by irradiation.2 級聯碰撞在粒子輻照過程中，被撞材料原子接受的能量不同，導致有的原子會發(fā)生，有的則不會，而決定材料原子能否發(fā)生離位的最低能量稱為原子的離位閾，簡稱為 Ed。也就是說，只有當被擊中原子接受的能量≥Ed時，它才可變成原子。如圖 1.3 所示，那些被入射粒子直接撞擊的材料原子被稱為初級碰撞，簡稱 PKA。如果 PKA 的能量超過 Ed，那么它將離開原來的晶格點陣，向鄰近的材料原子傳遞，繼續(xù)產生碰撞并形成二級離位原子[39]。以此類推有足夠能量的各級的離位原子將繼續(xù)導致下一級離位原子的產生，直至碰撞的能量不足。這一碰撞移位過程就稱為級聯碰撞(cascade collision)。

氦離子輻照 7075 鋁合金表面形貌及其微觀組織變化研究除了以上的材料內部微觀組織的變化之外，對材料進行輻照時，通常在這些載能離子的轟擊下，材料表層原子會出現濺射現象，而持續(xù)的濺射將導致材料表面的刻蝕，甚至裂紋的出現。N.J. Dutta 等[19]對鎢進行氦離子輻照來研究輻照損傷。通過一些表征儀器的觀察和檢測后發(fā)現，在較低的放大倍數下可以看到氦離子注入后的靶材表形成了微米級的均勻網格裂紋，增加放大倍數后，可以明顯的看到一些晶體缺陷，如：孔隙、針孔、氣泡、微裂紋，如圖 1.7 所示。

【參考文獻】

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本文編號：2803895