低能氦离子辐照诱导的钨材料结构演化

在温度为923 K、氦离子流强为7×10~(21) m~(-2)·s~(-1)的条件下,考察了低能氦离子辐照对钨材料表面结构的影响。采用扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)、导电原子力显微镜(Conductive Atomic Force Microscope,CAFM)、称重法、X射线衍射(X-ray Diffraction,XRD)以及电子背散射衍射(Electron Back-Scattered Diffraction,EBSD)对辐照后钨材料的结构演化规律进行了分析。SEM和CAFM的研究表明,在辐照初期样品表面形成了纳米尺寸的氦泡,随着辐照剂量的增加,氦泡的尺寸和密度逐渐增加,最终引起钨表层的剥落。质量损失和溅射产额的分析结果表明,钨材料表层的剥落是钨损伤的主要形式。SEM、XRD和EBSD的分析证实了辐照后钨样品的表面形貌变化与晶体取向之间具有很强的关联性。研究结果表明,相对于(101),氦原子更容易在(111)和(001)等晶面上吸附、扩散和聚集,这些研究结果将为面向等离子体材料的优化设计提供有用的参考。     

氢离子辐照诱导的钨表面周期性刻蚀研究

采用扫描电镜(Scanning Electron Microscope,SEM)、导电原子力显微镜(Conductive Atomic Force Microscope,CAFM)、能谱仪(Energy Dispersive Spectrometer,EDS)和纳米压痕等表征技术和方法,综合分析了130 eV氢(H)离...     

非均匀形核对辐照诱导钨内微结构演化行为影响的团簇动力学模拟

金属钨(W)及其合金作为未来聚变堆最具应用前景的面向等离子体结构材料(PFMs),其服役性能直接影响聚变堆长期服役的安全性,辐照诱导W及其合金内微结构演化导致的辐照脆化现象始终是限制其工程应用的关键因素。本文基于分子动力学计算结果,进一步完善了辐照诱导材料微结构演化行为的团簇动力学模型,采用更加完备的物理模型描述材料内辐照缺陷的产生行为,并进一步探讨了W基体内辐照缺陷产生过程对微结构演化行为的影响。模拟结果表明,高能初始离位原子(PKA)诱发级联碰撞直接产生的缺陷团簇是W内位错环、空洞演化中最重要的形核机制;非均匀形核所产生的间隙团簇的扩散行为对位错环的长大行为有重要影响,会导致位错环尺寸分布中出现亚尖峰与台阶状形貌。     

He+离子辐照Inconel 718合金表面形貌改变及机理研究

研究了3种不同剂量He⁺离子辐照后Inconel 718合金的形貌变化规律及其形成机理。结果表明,He⁺离子辐照会在合金表面形成纳米多孔结构,其孔径会随辐照剂量的增加而增大。此外,He⁺离子辐照还会破坏合金表面δ相并导致碳化物的持续溅射损耗,且这一现象会随着辐照剂量的增加而愈发严重。由于辐照过程中氦泡间微观应力σ n作用会引起毗邻材料断裂及氦泡合并长大,且辐照溅射作用又会导致氦泡上层薄膜的损耗甚至破裂,因而这也是He⁺离子辐照Inconel 718合金表面纳米多孔结构的形成机制。     

高温下He^＋辐照316L不锈钢时氦泡的形态及氦的俘获

用ＴＥＭ观察６００℃下氦离子辐照３１６Ｌ不锈钢中氦泡的形态及分布，发现氦浓度比较低时，氦泡优先在位错线上形成；随着氦浓度的增大，氦泡在基体中均匀分。在晶粒内及晶界处，拟泡都呈多面体形状，观察的晶界片不存在氦不民的优先生长现象。     

600℃下氦离子辐照316L不锈钢氦泡形成的研究

在聚变堆与快堆中，高能中子通过（ｎα）反应在结构材料中产生大量的氦。氦聚集形成氦泡，引起材料各种性能的下降；特别是高温下氦流到晶界形成氦泡，使材料发生脆性断裂。对材料中氦泡的形核及长大规律的研究是研究材料中氦脆的基本机制及堆辐照环境中材料微观结构变化...     

氦对低活性Fe-Cr-Mn(W,V)合金辐照损伤影响

采用低能离子加速器和超高压电镜相连接复合辐照装置,研究注入He后经电子束辐照,观察低放射性Fe-Cr-Mn（W,V）合金的辐照损伤特征;研究He对辐照过程中产生二次缺陷,空洞肿胀,诱起晶界偏析的影响。实验结果证明He的存在,增加辐照初期位错密度,促进空洞核心形成及空洞肿胀增加,抑制晶界近旁溶质元素偏析。     

氦离子辐照烧结碳化硅损伤效应研究

利用中国科学院近代物理研究所320 kV高压平台提供的氦离子辐照烧结碳化硅,辐照温度从室温到1 000 ℃,辐照注量为1015~1017 cm-2。辐照完成后,进行退火处理,然后开展透射电子显微镜、拉曼光谱、纳米硬度和热导率测试。研究发现,烧结碳化硅中氦泡形核阈值注量低于单晶碳化硅。同时,氦泡形貌和尺寸与辐照温度、退火温度有关。另外,对辐照产生的晶格缺陷、元素偏析进行了研究。结果表明,辐照产生了大量的缺陷团簇,同时氦泡生长也会发射间隙子,在氦泡周围形成间隙型位错环。在晶界处,容易发生碳原子聚集。辐照导致材料先发生硬化而后发生软化,且热导率降低。     

低能氦等离子体低温条件下钨材料的表面形貌

为研究氦等离子体在钨表面造成的表面纳米结构,利用荷兰基础能源研究所Pilot-PSI直线等离子体发生装置在673 K温度下,对钨材料进行了低能（40 eV）高束流强度（4×10²³ m^-2•s^-1）氦等离子体辐照。实验结果表明,辐照后钨材料表面出现了多种不同形态的纳米结构,表面纳米结构和晶粒的表面法向之间存在明显关联。在表面法向为［111］的晶粒表面出现三角形的纳米结构,在［110］取向的晶粒表面出现条带状的纳米结构,而在［001］取向的晶粒表面没有明显的结构出现。晶粒表面的纳米结构尺寸在50 nm左右,高度起伏在5 nm以下。另外,氦等离子体辐照会造成晶界处的高度差,在25 nm左右。分析推测氦等离子体辐照造成的晶粒表面和晶界的形貌可能是由近表面的气泡所导致的。     

双束强辐照对氧化物弥散强化铁素体型合金强化相稳定性影响

采用双束复合辐照装置,研究了He存在条件下,强辐照对长期时效后的ODS合金中强化相(Y2O3)的稳定性和辐照损伤特征的影响。实验结果表明:双束强辐照下,ODS合金中强化相不稳定,发生聚集长大并造成附近基体中Ti、Y浓度增高,导致空洞尺寸和空洞肿胀增加,并对这一结果从理论上进行解释。     

高温He离子辐照GH3535合金的损伤效应

采用500 keV的He离子在750℃下对GH3535合金样品进行辐照,然后利用掠入射X射线衍射(GIXRD)、透射电子显微镜(TEM)和纳米压痕仪分别对样品的氦泡和位错环辐照缺陷的演化及纳米硬度的变化进行了研究.结果表明,GH3535合金晶格辐照后发生了轻微畸变;离子辐照在样品中形成了大量尺寸为2～5 nm的氦泡和位...     

高温He离子辐照GH3535合金的损伤效应

采用500 keV的He离子在750 ℃下对GH3535合金样品进行辐照,然后利用掠入射X射线衍射（GIXRD）、透射电子显微镜（TEM）和纳米压痕仪分别对样品的氦泡和位错环辐照缺陷的演化及纳米硬度的变化进行了研究。结果表明,GH3535合金晶格辐照后发生了轻微畸变;离子辐照在样品中形成了大量尺寸为2～5 nm的氦泡和位错环。辐照产生的氦泡和位错环等缺陷在基体中钉扎位错,从而使材料产生了辐照硬化现象,样品硬度随辐照剂量的增加而增大。当辐照剂量达2×1016 cm-2时,辐照样品发生了明显的硬化饱和现象,利用Nix Gao模型计算得此时的硬化程度为64%。     

钨中氦泡融合条件的分子动力学模拟研究

在托卡马克聚变装置中,钨偏滤器会受到低能高束流的氦等离子体冲刷,导致材料表面形成绒毛状纳米结构或针孔状表面损伤,使钨材料使用性能发生退化,影响等离子体的稳态运行。目前普遍认为,氦致表面损伤的形成与钨表面下氦泡的生长密切相关。钨受到氦等离子体辐照后会在材料的近表层形成高密度的小氦泡,它们可通过融合的方式长大,氦泡的融合是近表层大氦泡形成的关键环节。为了解氦泡的相对位置、温度、氦空位比(He/V)、氦泡初始间距对氦泡融合的影响,本文采用分子动力学方法模拟氦泡在金属钨中的融合过程。结果表明：氦泡的相对位置、温度、He/V、氦泡初始间距都会影响氦泡的融合,但影响的机理并不相同。其中,氦泡的相对位置是影响氦泡融合的关键因素,当氦泡沿〈100〉方向排列时,氦泡易发生融合,而沿 〈111〉方向排列则不易发生融合,其原因是氦泡附近存在各向异性的应力场。温度升高有利于氦泡体积得到更快、更充分的弛豫,进而促进氦泡发生融合。高He/V的氦泡具有较高的压力,更易发生融合。当温度为1 500 K时,2个He/V为3、半径为1 nm的氦泡之间的相互作用距离可达1.28 nm甚至更远,但它们发生融合的最大初始距离为0.96 nm。本研究可促进对钨中氦泡融合机理的理解,为钨中大氦泡的形成提供可能的解释。此外,本研究结果可为大尺度模拟（如动力学蒙特卡罗、团簇动力学）提供相关输入参数用于研究高密度氦泡的长时间演化。     

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。     

氦对Fe-Cr-Ni合金和Fe-Cr-Mn合金辐照损伤的影响

利用超高压电镜与高能离子加速器连接装置 ,研究了氦 (He)对Fe Cr Ni和Fe Cr Mn两类奥氏体型合金辐照损伤行为的影响。观察了辐照过程中二次点缺陷的演变、空洞的形成以及辐照诱导晶界处溶质元素浓度的变化。实验结果表明 :He能促进两类合金空洞核心的增加 ,但空洞尺寸和密度不同 ;He能有效抑制辐照诱起晶界元素偏析 ,但对不同原子尺寸的溶质原子抑制效果不同。该差别是由于He的注入提高空位移动激活能和改变点缺陷与溶质原子相互作用的效果     

国产改进型不锈钢的辐照损伤随辐照温度变化研究

不锈钢常用作散裂中子源的靶结构材料。散裂中子源系统是ADS系统中的重要组成部分之一，为驱动次临界装置提供源中子。在ADS散裂中子源系统中，不锈钢(S．S．)用于束窗及靶材料，材料将受到高能、高强度的质子或／与中子辐照，年积累位移损伤剂量可达几百dpa。不锈钢的辐照损伤与辐照温度及剂量有关。     

体心立方钨和铁中 氦泡生长机制模拟研究进展

体心立方金属钨和铁作为核聚变反应堆的第一壁面向等离子体材料和第一壁结构材料处于高剂量的中子辐照环境中.辐照过程产生的氦原子易在金属内聚集形成氦泡,对材料微观结构和宏观力学性能产生极大影响.本文通过综合分析文献中关于通过第一性原理、分子动力学和蒙特卡罗方法对氦泡形核和生长机制,比较了不同模拟条件下氦泡的演化机制.分析表明...     

聚变α粒子对材料辐照损伤瞬时行为的研究

研究聚变α粒子对第一壁材料辐照损伤随时间的发展与变化，用基于时间序列两体碰撞近似的计算机模拟程序研究数＋ｋｅＶ α粒子对无定形铁材料的辐照损伤，计算了α粒子辐照引起的材料中空位和能量沉积分布及α粒子本身的沉积随时间的演化，还对用时间序列和速度序列两类级联碰撞模拟方法计算的结果作了比较。     

SiC辐照损伤对耐高温氧化性能的影响

碳化硅（SiC）材料在高温氧化时会生成SiO2保护膜,但经辐照后高温氧化,材料结构和氧化速率会发生变化,影响材料性能。为研究其晶格损伤与氧化规律之间的关系,利用6H-SiC单晶片和烧结SiC多晶片,开展了在室温下经过能量为5 MeV、注量为5×1014 cm-2的Xe20+离子辐照后再进行1 300 ℃氧化1 h的实验。利用X射线衍射、拉曼光谱、傅里叶变换红外光谱、扫描电镜、透射电镜进行表征,对比了不同晶型的SiC氧化前后辐照与未辐照区域。结果显示：辐照破坏了晶格有序度,造成了晶格损伤,这些损伤在氧化过程中促进了多种SiO2基团的形成;生成的SiO2形成氧化层,由于与SiC基体热膨胀系数的差异,以及重结晶作用,导致碳化硅产生内应力,使氧化膜破裂;截面TEM图像显示,辐照引起的层错致使氧化程度加深,这是导致氧化速度加快的重要原因。