强脉冲离子束在金属中引起的应力波效应

金属在强脉冲离子束辐照及其后的快速冷却过程中所经历的应力过程是强脉冲离子束金属材料改性的最重要的机制之一。对应于这种过程，金属材料的微观结构和微硬度发生了改变。本文以45＃钢和纯铝为样品，将实验中测量到的不同强度的强脉冲辐照后样品微硬度和微观结构的变化与热力学计算所描述的热力学过程相对照，解释了出现微硬度双峰是由于应力波的形成和传播使然，并预言了由于应力波的在样品背面的反射，在较强能通量的强脉冲离子束辐照下样品背表面一定深度处也会出现微硬度增加的现象，该现象已被实验所证实。     

强脉冲离子注入中的脉冲能量效应研究

在脉冲离子束流密度为15120A/cm2、脉宽为50150ns、加速电压为150260kV范围内,在11014cm-2的低注量水平上, 研究了高功率Cn++H+混合离子束注入45号钢样品的强脉冲能量效应。摩擦磨损和微观硬度测量以及SEM和X射线衍射分析表明,上述低注量强脉冲离子束注入可以改变材料 表面的微观结构和力学特性,而且强烈依赖于单个脉冲离子束的功率密度和能量密度。在相同离子注量条件下,普通C++H+离子注入对45号钢样品表面微硬度和摩擦系数未 见明显影响。直接证明了强脉冲能量效应在离子注入中是相对独立于注入元素掺杂效应的又一可利用的重要效应。基于一维导热模型,讨论了强脉冲能量效应以及脉冲离 子束功率密度对离子束材料表面改性的作用。     

强流脉冲离子束辐照对钛合金显微组织的影响

为研究强流辐照过程中钛合金微观组织结构和化学成分的变化,利用束流成分70%H+和30%C+的混合强脉冲离子束对钛合金进行了表面轰击,对离子束诱发的显微组织形貌和化学成分在扫描电子显微镜(SEM)上进行分析。结果表明,钛合金内部组织由α和β两相构成,为α+β型两相钛合金。试样不同区域组织类型存在明显差异,大部分区域组织类型一致,局部区域属于典型的魏氏组织。强流辐照钛合金表层组织和微观结构发生一定的变化,边缘β相结构遭到一定程度的破坏。显微组织结构的变化是由于表层温度梯度引起的热应力及其在靶材体内的传播造成的。     

强流脉冲离子束辐照对钛合金表面相结构的影响

利用X射线衍射(XRD)和能量色散的特征X射线谱(XEDS)扫描,对强脉冲离子束辐照钛合金的表面结构特征和成分分布进行了测试与分析。结果表明,试样钛合金为(α+β)型两相钛合金。当以低能流密度离子束辐照时,材料表面粗糙度的增加导致结构发生明显变化;随着离子束能流密度的增加,材料表面层出现微小非晶相;表面元素呈明显的层状均匀分布;多次脉冲离子束辐照下,表面形成Al2O3等氧化物,从而利于被辐照表面抗氧化性的提高。进一步提高离子束能流密度,多次脉冲辐照,材料表面形成了新相Al6MoTi和AlMoTi2。     

强脉冲离子束材料表面改性研究进展

强脉冲离子束材料表面改性技术是正在发展中的新的材料表面改性技术。近四、五年来,我们围绕发展强脉冲离子束材料表面改性技术对其主要机制(强脉冲能量效应)、离子辐照诱发的热力学过程、表面熔坑现象及大面积均匀离子束技术开展了比较全面的基础性研究。研究表明,强脉冲离子束改性除了离子注入的元素掺杂效应外,其更可利用强脉冲能量沉积诱发的热力学效应,有望突破离子射程对改性层厚度的限制,并高效利用离子剂量和能量,成为新一代低成本、高效率、高生产率、实用化的离子束材料改性与合成工艺。本文对于上述研究的主要进展和相关问题进行了总结和评论。     

强脉冲离子束材料表面改性研究进展

强脉冲离子束材料表面改性技术是正在发展中的新的材料表面改性技术。近四、五年来 ,我们围绕发展强脉冲离子束材料表面改性技术对其主要机制 (强脉冲能量效应 )、离子辐照诱发的热力学过程、表面熔坑现象及大面积均匀离子束技术开展了比较全面的基础性研究。研究表明 ,强脉冲离子束改性除了离子注入的元素掺杂效应外 ,其更可利用强脉冲能量沉积诱发的热力学效应 ,有望突破离子射程对改性层厚度的限制 ,并高效利用离子剂量和能量 ,成为新一代低成本、高效率、高生产率、实用化的离子束材料改性与合成工艺。本文对于上述研究的主要进展和相关问题进行了总结和评论     

氦离子辐照对镍基合金硬度的影响

在室温下对镍基合金进行了氦离子辐照,利用纳米压痕仪测试了微观硬度,利用慢正电子多普勒展宽谱(Doppler Broadening Spectrum,DBS)和透射电子显微镜(Transmission Electron Microscope,TEM)分析了微观缺陷,利用离子束分析弹性反冲探测(Elastic Recoil Detection,ERD)技术测量了氦的浓度深度分布。结果显示合金样品的硬度随剂量而增大,退火后合金样品硬度增量有所减小,并观测到氦泡生成。合金硬化的主要原因是由于氦离子辐照产生了1-7 nm的缺陷团簇,而退火后不稳定缺陷的回复及氦-空位复合体数量的减少造成了硬化强度减弱。     

钛离子注入9Cr18钢的强流脉冲电子束后处理

对９Ｃｒ１８钢经Ｔｉ＾＋离子注入后又使用脉冲强流电子束进行了表面辐照处理用ＡＥＳ分析了注入层的成分,考查了电子束处理前后的硬度,并讨论了脉冲强流电子对离子注入金属材料表面成分产生辐照增强扩散的影响。     

两类钒基合金的辐照硬化研究

钒合金(V-Cr-Ti系列)是重要的聚变堆结构候选材料,但是相比于铁素体/马氏体钢等其他候选材料,有关钒合金(V-Cr-Ti)的辐照损伤研究较为缺乏。利用载能离子束模拟聚变堆中子辐照条件,对V-4Cr-4Ti和V-5Cr-5Ti两种样品进行了载能He离子和重离子辐照实验。实验采用离子束梯度减能方法在样品中产生辐照损伤的坪区,利用纳米压痕技术测试材料的辐照硬化效应。结果表明,样品纳米硬度的深度递减现象可以用Nix-Gao模型很好描述,高能重离子辐照的样品中软基体效应可以有效避免;在He离子辐照情形,He浓度(以原子百万分率计(Atomic parts per million,APPM))/位移损伤(以每原子平均离位数计(Displacement per atom,DPA))大于4 200/0.2时,两种钒合金样品出现硬化饱和现象;相近位移损伤水平下,He与空位的结合导致缺陷集团的加速长大,致使材料的辐照硬化远大于重离子辐照情形。     

强流辐照对钛合金表面形貌及成分的影响

用强流脉冲离子束技术对钛合金进行了表面轰击,利用原子力显微镜(AFM)在微观尺度上对离子束诱发的表面形貌进行了分析.结果表明,在单脉冲能量密度为～1.44 J/cm2,1次辐照表面开始熔化,5次辐照,轰击表面形成密度较大的块状熔坑,高度差较原始表面增长了约200 nm.用能量色散的特征X射线谱(XEDS)分析了辐照表面...     

ODS-Eurofer钢微观结构及辐照硬化研究

研究了ODS-Eurofer钢的微观结构及辐照硬化现象。首先用透射电子显微镜(TEM)观察了ODS-Eurofer钢的初始微观组织结构,发现基体中不仅存在几nm至几十nm的氧化物弥散颗粒,还存在具有壳-核结构的大尺寸(直径大于100 nm)颗粒,并观察到纳米颗粒对位错线的钉扎作用。随后用能量为5 MeV的Fe~(2+)离子在300℃和500℃下辐照样品至25 dpa以模拟中子辐照,并用纳米压痕仪和TEM测试表征了辐照所致力学性能和微观结构的变化。结果表明,两种温度下辐照均引起硬度上升,500℃时由于辐照产生的点缺陷发生复合,导致硬化效应弱于300℃。用TEM观测辐照水平为25 dpa的损伤层发现有少量纳米尺寸位错环,这些位错环是辐照硬化的主要原因。ODS-Eurofer钢初始微观结构对辐照硬化有重要影响,其中晶界、纳米颗粒与基体界面、位错线等能捕获辐照过程中产生的点缺陷,从而抑制辐照位错环的生长。     

ODS-Eurofer钢微观结构及辐照硬化研究

研究了ODS-Eurofer钢的微观结构及辐照硬化现象。首先用透射电子显微镜(TEM)观察了ODS-Eurofer钢的初始微观组织结构，发现基体中不仅存在几nm至几十nm的氧化物弥散颗粒，还存在具有壳 核结构的大尺寸(直径大于100 nm)颗粒，并观察到纳米颗粒对位错线的钉扎作用。随后用能量为5 MeV的Fe²⁺离子在300 ℃和500 ℃下辐照样品至25 dpa以模拟中子辐照，并用纳米压痕仪和TEM测试表征了辐照所致力学性能和微观结构的变化。结果表明，两种温度下辐照均引起硬度上升，500 ℃时由于辐照产生的点缺陷发生复合，导致硬化效应弱于300 ℃。用TEM观测辐照水平为25 dpa的损伤层发现有少量纳米尺寸位错环，这些位错环是辐照硬化的主要原因。ODS-Eurofer钢初始微观结构对辐照硬化有重要影响，其中晶界、纳米颗粒与基体界面、位错线等能捕获辐照过程中产生的点缺陷，从而抑制辐照位错环的生长。     

强脉冲离子束辐照混合陶瓷/NiCoCrAlY热障涂层研究

为提高高温合金的工作温度,一般在其表面涂覆由粘结过渡层和陶瓷隔热层构成的热障层.热障层的热稳定性决定了高温合金部件的寿命.为延长由部分稳定的ZrO2/NiCoCrAIY合金构成的热障层的服役寿命,采用强脉冲离子束对它们的界面进行辐照处理.本工作研究了不同参数的强脉冲离子束(IPIB)对不同厚度结构的靶的辐照混合效应,通过一系列分析测试研究,发现合适参数的IPIB辐照能够有效地在界面形成混合层,从而改善热障层在高温氧化环境中的高温耐久性.其中采用峰值能量300 keV,脉冲宽度65 ns,峰值流强密度250 A/cm2的IPIB单脉冲辐照后的样品获得最好效果.对其原因做了分析,认为在界面处形成特定元素分布的混合层在高温氧化条件下既能形成完整的保护层,又改善了层间晶格和热胀系数失配,减小了失配热应力,从而提高了热障层在高温氧化条件下的稳定性.     

重离子辐照微生物效应及诱变育种进展

重离子束作为一种高效的、典型的诱变辐射源广泛用于生物育种。不同质量数、电荷数和不同能量的重离子束作用于生物细胞有特殊的过程和作用,其先后经历物理、化学和生物学三个阶段,最终引发终点生物学效应,如辐射低剂量超敏感现象,活性氧代谢变化等。本文重点探讨重离子束辐照微生物体后出现的主要终点生物效应,以及近年来重离子辐照微生物诱变育种在工农业等方面取得的成果。     

高功率离子束模拟材料的X射线热-力学效应研究

主要介绍了利用高功率离子束模拟1keV黑体辐射X射线对材料的热—力学效应(thermal—mechanical effects)的初步研究结果。计算了“闪光二号”加速器产生的高功率离子束(质子束)和1keV黑体辐射X射线在材料中的能量沉积剖面，计算结果表明二者的能量沉积范围和剖面变化趋势基本一致。给出了利用“闪光二号”加速器高功率离子束辐照不同材料样品的初步实验结果。所辐照的样品表面镀层被剥离掉，Cu和Al样品表面有明显的熔融痕迹，样品的质量损失约几十毫克，3mm厚的石墨样品碎裂成数块，1mm厚的Al靶形变达到6mm。实测的5mm厚硬Al靶背面应力波峰值约35MPa。因而可以利用“闪光二号”加速器产生的高功率离子束模拟1keV黑体辐射X射线的热—力学效应。     

围板连接螺栓的辐照促进应力腐蚀裂纹研究

在压水堆(PWR)中,堆芯部件围板连接螺栓的材质是奥氏体不锈钢,长期处于强中子辐照区域.当辐照超过一定限值后,即使应力水平很低,但由于辐照过程中的缺陷、相转变、晶界偏析以及应力变化等原因,材料的塑性逐步丧失,辐照促进应力腐蚀裂纹(IASCC)随之发生.使用高纯度材料、控制水质和改进连接结构可以有效地减缓围板螺栓辐照促进应力腐蚀裂纹的产生.     

重离子和γ辐照硼硅酸盐玻璃的辐照效应对比

为研究玻璃固化体在不同辐照方式下的宏观和微观结果及其对应关系,使用重离子和γ辐照硼硅酸盐玻璃,分别测量了辐照后硼硅酸盐玻璃的硬度和模量变化。发现在γ辐照条件下,直到吸收剂量达到6×10~6 Gy,硼硅酸盐玻璃的宏观性质(硬度和模量)均未发生明显改变。在Xe离子辐照条件下,当辐照剂量达到0.1 dpa时,硬度和模量减少达饱和值。此外,测量了γ辐照后的硼硅酸盐玻璃的吸收光谱,得到了辐照后硼硅酸盐玻璃带隙随吸收剂量的变化规律,讨论了辐照产生的微观缺陷来源和产生机理。发现重离子辐照产生的硬度和模量的下降主要来源于玻璃网络结构的断裂,而重离子的核能量沉积是造成网络体结构断裂的主要原因。结合γ辐照样品的吸收光谱结果,通过对比γ射线和重离子辐照后的样品硬度和模量变化不同趋势可发现:γ辐照会在硼硅酸盐玻璃中产生微观缺陷(非桥氧空位色心等),这些缺陷主要来源于网络体末端与钠相连的键的断裂。而网络体末端的断裂不影响硼硅酸盐玻璃的网络体结构,所以γ辐照产生的缺陷不会引起硼硅酸盐玻璃的硬度和模量变化。     

Zr-Sn-Nb合金质子辐照效应研究

摘要:通过HZB串列加速器用18MeV质子研究了ZrSnNb合金的辐照效应。结果表明,经1.53×1014cm-2注量的质子辐照后,辐照产生的缺陷使样品的显微硬度升高导致辐照硬化;断口分析发现辐照后在样品的一端韧窝明显变小出现脆化现象,被认为是由于质子辐照离子化损伤产生在其射程的末端——与TRIM96程序计算的结果一致。     

重离子和γ辐照硼硅酸盐玻璃的辐照效应对比

为研究玻璃固化体在不同辐照方式下的宏观和微观结果及其对应关系，使用重离子和γ辐照硼硅酸盐玻璃，分别测量了辐照后硼硅酸盐玻璃的硬度和模量变化。发现在γ辐照条件下，直到吸收剂量达到6×10⁶ Gy，硼硅酸盐玻璃的宏观性质（硬度和模量）均未发生明显改变。在Xe离子辐照条件下，当辐照剂量达到0.1 dpa时，硬度和模量减少达饱和值。此外，测量了γ辐照后的硼硅酸盐玻璃的吸收光谱，得到了辐照后硼硅酸盐玻璃带隙随吸收剂量的变化规律，讨论了辐照产生的微观缺陷来源和产生机理。发现重离子辐照产生的硬度和模量的下降主要来源于玻璃网络结构的断裂，而重离子的核能量沉积是造成网络体结构断裂的主要原因。结合γ辐照样品的吸收光谱结果，通过对比γ射线和重离子辐照后的样品硬度和模量变化不同趋势可发现：γ辐照会在硼硅酸盐玻璃中产生微观缺陷（非桥氧空位色心等），这些缺陷主要来源于网络体末端与钠相连的键的断裂。而网络体末端的断裂不影响硼硅酸盐玻璃的网络体结构，所以γ辐照产生的缺陷不会引起硼硅酸盐玻璃的硬度和模量变化。     

电桥应力系统在强脉冲中子场中的辐照效应

以快中子脉冲反应堆为试验平台,简要描述了电桥应力系统在强脉冲中子辐射场中的辐照效应表象,以效应试验结果为基础,分析了辐照效应产生机理,并据此提出了减小或消除辐照效应的基本方法.验证试验结果表明:精密桥臂电阻的瞬态中子辐射损伤是导致应变信号出现突变的根本原因,而采用辐射屏蔽和"背片法"的措施可以有效地减小或消除应力系统的辐照效应.