我們利用團(tuán)簇動力學(xué)模型（IRadMat）研究了keV-He離子輻照金屬鋁的缺陷動力學(xué)和氦的聚集行為.通過對不同俘獲類型（團(tuán)簇、晶界和位錯）俘獲He濃度的定量分析,我們發(fā)現(xiàn)大多數(shù)He原子被晶界吸收,這成為鋁在低輻照通量下發(fā)生脆化的主要原因.隨著輻照能量的增加,He滯留峰的位置會變得更深.然而,隨著輻照通量的增加,He在體內(nèi)的滯留量會變得更多,但滯留深度的峰值位置不變.我們的結(jié)果表明,晶界的影響在He的滯留分布以及鋁的脆化行為中起著關(guān)鍵作用,這也有助于我們理解He在金屬中的動力學(xué)行為和損傷的分布. 

【文章來源】：原子與分子物理學(xué)報. 2020,37(02)北大核心

【文章頁數(shù)】：8 頁

【部分圖文】：

2000 keV能量的He離子注入鋁樣品后輻照通量與He峰濃度的關(guān)系

金屬脆化現(xiàn)象是一個非常復(fù)雜的輻照損傷行為,可能由很多因素的貢獻(xiàn)所導(dǎo)致,如He離子輻照過程中產(chǎn)生的氦泡在晶界和位錯處的累積[45],或者在高能離子輻照下產(chǎn)生的大量孔洞和氦泡聚集所導(dǎo)致的脆化[38, 46]. 目前我們所研究的是低能、低劑量輻照環(huán)境,這種孔洞和氦泡導(dǎo)致材料發(fā)生脆化的機(jī)制的貢獻(xiàn)是比較弱的. 在低劑量狀態(tài)下產(chǎn)生He泡的幾率比較低,He傾向于向晶界或位錯處聚集,由晶界和位錯導(dǎo)致的氦脆現(xiàn)象較為嚴(yán)重. 所以我們重點(diǎn)研究了晶界和位錯的俘獲效應(yīng)對材料體內(nèi)He積聚分布的影響. 事實(shí)上,He輻照鋁之后,He在體內(nèi)主要以三種形式存在:晶界吸收、位錯吸收、團(tuán)簇積聚(Hem, HemI, HemVn). 我們因此討論了這三種形式的He在鋁中的分布行為,如圖2 所示. 首先利用IM3D模擬了5 keV的He離子輻照金屬鋁的初級損傷分布作為團(tuán)簇動力學(xué)模型的輸入項(xiàng),對金屬鋁在 300 K溫度下,進(jìn)行輻照束流為 1×1018 m-2 s-1和通量為 5×1020 m-2 持續(xù)輻照. 我們選取10 μm大小的晶粒尺寸,設(shè)定1012 m-2大小的位錯線密度,用于模擬材料體內(nèi)的俘獲項(xiàng)對He滯留的影響. 從圖2可以看出,晶粒尺寸為10 μm的金屬鋁中,晶界俘獲 He 原子的濃度遠(yuǎn)大于位錯和團(tuán)簇形式的He原子濃度. 需要注意的是,在我們的模擬中選擇的輻照條件是低能(1～10 keV)、低通量的He離子注入,材料體內(nèi)的產(chǎn)生的空位數(shù)量較少,空位對 He 原子的捕獲作用不明顯,所以導(dǎo)致材料體內(nèi)的He團(tuán)簇較少. 由于體內(nèi)晶界的存在,He原子在晶界處大量聚集,會使He原子更多地束縛在材料表面附近,最終導(dǎo)致材料發(fā)生脆化. 已有研究表明,材料納米化會增加面向等離子體材料W體內(nèi)的He滯留[26],在我們的研究中也指出了在低輻照劑量下,晶界對鋁材料體內(nèi)He滯留具有很大的影響,在未來的工作中我們將進(jìn)一步探索不同晶粒尺寸對He原子在鋁中的滯留的行為以及材料抗輻照性能的影響.3.3 輻照環(huán)境對He輻照損傷的影響

明確了He在鋁中的主要存在方式后,我們進(jìn)一步研究了1～10 keV 能量范圍內(nèi)的He離子在相同輻照條件下的缺陷深度分布情況,指出輻照能量對He滯留行為的影響機(jī)制. IM3D程序中已經(jīng)考慮入射離子的背散射效應(yīng),通過統(tǒng)計IM3D模擬的1～10 keV的He離子的實(shí)際注入He到鋁中離子數(shù)和注入量的比例在77%～94%之間. 將IM3D得到的He離子和缺陷的初級損傷分布作為團(tuán)簇動力學(xué)模型中的輸入項(xiàng),對金屬鋁進(jìn)行500 s的持續(xù)輻照. 如圖3(b)所示,我們給出了在溫度為300 K 、注入量為 5 × 1020 m-2 的keV能量范圍內(nèi)的He離子輻照鋁后的He滯留隨深度的變化. 從圖中可以看出,He的濃度在鋁中分布的峰值會隨著 He 離子的能量的增加而逐漸深入. 這說明不同能量離子的漂移速度直接決定了其沉積的深度分布. 所以,當(dāng)材料表面受到keV能量的He離子轟擊時,He傾向于在材料表面附近處積聚,引起材料的脆化. 隨著時間的推移將會進(jìn)一步聚集成大量的He泡,從而引起嚴(yán)重的表面損傷,諸如起泡、剝落以及腫脹等,且隨著注入能量的升高,產(chǎn)生的損傷也越大,但損傷區(qū)一般在He深度分布區(qū)域附近.隨著輻照時間的增加,材料所受到的輻照通量也隨之逐漸上升,因此我們進(jìn)一步模擬了在溫度為300 K,能量為 5 keV 的不同輻照通量的 He 離子輻照鋁的情況. 如圖4 所示,鋁中氦的濃度隨深度分布的峰值幾乎不隨離子注入量的增加而變化,這說明特定能量離子的特定漂移速度決定了其分布范圍. 但是隨著 He 離子注入量的增大,伴隨著材料體內(nèi)各種缺陷及缺陷團(tuán)簇的增加,更多的He原子積聚在一起使得He的濃度在低劑量下以線性的形式增加(按照圖1可知)He離子在材料的表面處大量滯留,導(dǎo)致氦脆程度也會隨之變得更加嚴(yán)重. 當(dāng)注入量不夠大時,材料體內(nèi)的He濃度較小,He泡不明顯,由內(nèi)部He原子引起的表面損傷也不明顯,但由于體內(nèi)He的累積,已經(jīng)對材料產(chǎn)生了輕微的腫脹和脆化,脆化現(xiàn)象由此出現(xiàn). 也有研究指出,當(dāng)He在材料體內(nèi)快速累積達(dá)到某一臨界濃度時,細(xì)小的He泡會彼此間隨機(jī)的合并長大,在材料表面形成氣泡,導(dǎo)致材料的表面損壞[1].

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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博士論文
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本文編號：3406172