發(fā)布時間：2020-08-03 19:22

【摘要】：本論文對具有良好抗輻照性能的單相濃縮固溶體合金(SP-CSAs)及純鎢等典型核用金屬結(jié)構(gòu)材料中的缺陷行為進行了系統(tǒng)研究。首先應(yīng)用第一原理方法研究了鎳基單相濃縮固溶合金中空位團簇和自間隙原子的穩(wěn)定性和遷移行為。其次,應(yīng)用分子靜力學(xué)方法研究了鎳基單相濃縮固溶合金中位錯環(huán)的形狀傾向性、輻照誘導(dǎo)偏析行為和層錯環(huán)的影響因素。最后,結(jié)合第一原理與分子動力學(xué)方法研究了 He在鎢孿晶界中的偏析、捕獲和擴散行為。主要成果包括:研究發(fā)現(xiàn)點缺陷遷移模式的轉(zhuǎn)變增加了 SP-CSAs中點缺陷的復(fù)合速率,從而在一定程度上提高了 SP-CSAs的抗輻照性能。鎳基單相濃縮固溶合金中的四面體型三空位的形成能比純Ni中更高,表明堆垛層錯四面體在SP-CSAs中相比純Ni更難形核。含Co和含Ni自間隙原子對的形成能比含F(xiàn)e自間隙原子對的形成能更低。自間隙原子與空位缺陷的遷移勢壘計算結(jié)果揭示了間隙位錯環(huán)中Co/Ni富集和Fe耗散的輻照誘導(dǎo)偏析實驗觀測現(xiàn)象的內(nèi)在機理,同時表明這種輻照誘導(dǎo)偏析是由間隙遷移主導(dǎo)的。純Ni和SP-CSAs中自間隙原子的一維遷移和三維遷移之間勢壘的差異揭示了間隙原子遷移模式的轉(zhuǎn)變:從純Ni中一維長程快速遷移模式轉(zhuǎn)變?yōu)镹iCo中一維和三維遷移混合模式進而轉(zhuǎn)變?yōu)镹iFe中的慢速短程三維遷移模式。通過能量分析研究了實驗中觀測到的SP-CSAs中位錯環(huán)的形狀傾向性,并根據(jù)能量、原子半徑和混合焓差異等影響因素分析了元素在位錯環(huán)上的輻照誘導(dǎo)偏析行為,接著對層錯環(huán)比例的影響因素進行了合理解釋。SP-CSAs中的菱形全位錯環(huán)的形成能在0K下最低。而弗蘭克層錯環(huán)對橢圓形的形狀傾向與橢圓形層錯環(huán)形成能更低有關(guān),同時也可能受到構(gòu)型熵的影響。在NiFe和NiCr中,位錯環(huán)上合金元素含量不同時的形成能差異是導(dǎo)致位錯環(huán)上的Ni富集和Fe/Cr耗散現(xiàn)象發(fā)生的主要原因。Fe原子相比Cr原子更小的半徑以及Fe和Ni中相比Fe和Cr更負的混合焓則導(dǎo)致了 NiFeCr中位錯環(huán)上Ni/Fe富集和Cr耗散。SP-CSAs的堆垛層錯能隨著化學(xué)組分復(fù)雜性的增加而降低是導(dǎo)致單相濃縮固溶合金中弗蘭克層錯環(huán)的比例隨化學(xué)組分復(fù)雜性的增加而升高的一個重要原因。堆垛層錯能與缺陷動力學(xué)效應(yīng)對SP-CSAs中層錯環(huán)形成特性起到協(xié)同影響。堆垛層錯能的研究結(jié)果還表明可以通過改變化學(xué)組分復(fù)雜性來調(diào)節(jié)SP-CSAs的力學(xué)性能和形變機制。研究發(fā)現(xiàn)He在鎢∑3110{111}孿晶界上的平均偏析能和擴散勢壘分別為-3.20 eV和1.97 eV,表明晶界對He具有強捕獲及慢擴散作用,這種現(xiàn)象是由晶界間隙捕獲及空位捕獲機制造成的。He在W∑3(111)孿晶界中會引入一個陷阱轉(zhuǎn)變機制。在第一原理分子動力學(xué)模擬中發(fā)現(xiàn)了晶界斷開現(xiàn)象,這種晶界斷開遷移機制隨后通過經(jīng)典分子動力學(xué)模擬被證實。分子動力學(xué)模擬的研究結(jié)果表明He總是隨著晶界遷移而遷移。本論文的研究結(jié)果將對未來核用金屬結(jié)構(gòu)材料中缺陷特性的實驗研究和更深入的計算模擬研究提供理論依據(jù),同時對設(shè)計和研究具有抗輻照性能的新型合金提供可供參考的設(shè)計思路。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TG111.2
【圖文】：

眾多實驗和理論研宄表明單相濃縮固溶合金相比純金屬具有更高的抗輻照逡逑損傷性能％４吣例如相比純金屬Ｎｉ，鎳基單相濃縮固溶合金ＮｉＦｅ經(jīng)由輻照產(chǎn)生逡逑的損傷缺陷更少、尺寸更小，如圖１．１所示然而，研究人員尚未清楚理解單逡逑相濃縮固溶合金中抗輻照損傷的具體機理，己提出的相關(guān)機理主要有一下三種：逡逑①

逡逑進行研究，發(fā)現(xiàn)這兩種合金相比純Ｎｉ具有更高的抗輻照性能。如圖１．２所示，逡逑輻照碰撞級聯(lián)模擬后ＮｉＱＳＣｎ）．２中的點缺陷數(shù)目遠低于純Ｎｉ。他們的研究結(jié)果顯逡逑示輻照碰撞級聯(lián)之后ＮｉＱ８Ｃｒａ２和Ｎｉａ８ＦｅＧ２形成的點缺陷的數(shù)目分別比Ｎｉ中低逡逑２．５和１．４倍；相比純Ｎｉ，二元單相濃縮固溶合金中的間隙團簇尺寸小、分布密逡逑度大，他們認為這種缺陷大小和分布差異是由輻照碰撞級聯(lián)過程中點缺陷的擴散逡逑所控制的，這表明間隙原子在合金中的移動性更低；此外他們還發(fā)現(xiàn)ＮｉＱ邋８Ｃｉｕ２的逡逑抗輻照性能要優(yōu)于ＮｉＱ８Ｆｅａ２。基于分子動力學(xué)方法及活化弛豫動力學(xué)（ｋｉｎｅｔｉｃ逡逑ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ－ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ，簡稱Ｋ－ＡＲＴ）方法，Ｏｓｅｔｓｋｙ等人丨４Ｑ］研究發(fā)現(xiàn)單相濃縮固溶逡逑合金中空位和間隙原子的遷移受到構(gòu)成相應(yīng)缺陷的合金成分的影響；他們還發(fā)現(xiàn)逡逑點缺陷在單相濃縮固溶合金ＮｉＦｅ中的擴散比在純Ｎｉ和純Ｆｅ中慢。Ｏｌｓｅｎ等人逡逑［４１１也認為單相濃縮固溶合金中缺陷移動性的降低是實驗上發(fā)現(xiàn)的單相濃縮固溶逡逑合金ＮｉＣｏ中空位和間隙團塊尺寸顯著低于純Ｎｉ的主要原因。Ａｉｄｈｙ等人［３７］研宄逡逑了邋ＦＣＣ金屬Ｎｉ、Ｎｉ0．８Ｃｒａ２和ＮｉａｓＦｅａｓ中輻照引入的點缺陷演化，發(fā)現(xiàn)相比純逡逑Ｎｉ，ＮｉＦｅ和ＮｉＣｒ中缺陷形成得更慢，同時還發(fā)現(xiàn)純Ｎｉ中的缺陷團塊尺寸大密逡逑度低而合金中缺陷團塊則尺寸小密度大，他們認為這是由于單相濃縮固溶合金中逡逑的缺陷遷移勢壘比純Ｎｉ中更高所導(dǎo)致的。Ｌａｕｒｅｎｔ等人［４６］對Ａｕ離子輻照下單相逡逑濃縮固溶合金ＮｉＦｅ和純Ｎｉ中的缺陷生成過程進行了模擬研宄

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本文編號：2780085