不锈钢材料的氦辐照效应及位错缺陷对He行为的影响研究

摘要

奥氏体不锈钢作为核反应堆的主要结构材料，其中核反应堆一回路管道和冷却剂泵选用的不锈钢包含304、316L等。如今不锈钢中的He行为以及微观缺陷与He行为的相互作用是核材料基础研究领域的热点。本文选取纯铁金属作参照，主要以304和316L奥氏体不锈钢作为研究对象。主要元素为Fe、Cr、Ni以及其它微量元素。本文氦原子的引入方式主要是通过离子辐照技术实现的。
　　本文开展了不同能量（低能、高能）的氦辐照损伤实验研究。不同的辐照能量会导致不同的辐照效应，通过SRIM模拟软件和正电子湮没谱学技术的结果分析可以知道，低能的氦原子进入到金属材料中不会造成严重的辐照损伤（点缺陷生成）；高能的氦原子会导致大量的空位型缺陷出现。并且，氦扩散深度随能量增加而加深。能量为150eV的He+辐照304不锈钢，粒子注入深度仅为几纳米；能量为5keV的He+辐照纯Fe，离子注入深度为几十纳米；50keV的He+辐照304不锈钢，粒子注入深度为几百纳米。
　　采用冷轧形变结合退火的方法引入位错缺陷，研究了位错缺陷的存在对氦辐照效应的影响以及对氦原子迁移扩散演化机制的作用。利用慢正电子技术对形变样品进行测量，形变后的样品会严重影响材料表面的正电子湮没机制，使多普勒结果S参数迅速下降，并且形变量越大的下降越快。基体的S参数仍随形变量的增多而增大。利用5keV的He+对纯铁的形变样品进行辐照，发现位错的存在会促使氦原子扩散，并且氦原子在位错处大量聚集。在304和316L不锈钢的实验中，增加了形变量的对比（10％、20%），利用能量为50keV的He+进行室温辐照，剂量为1×1018/m2、1×1020/m2。形变量的大小影响位错含量的多少，位错的含量越多，吸引氦原子的能力就越强，对辐照效应和氦的行为演化影响越大。位错缺陷不仅大量的吸引氦原子使之快速迁移扩散，而且对辐照效应形成的空位缺陷也会形成吸引，空位在位错线附近聚集成团或者与不同量的氦原子形成复合体。
　　为了判定氦原子在材料中的存在形态以及位错存在对氦原子行为的影响，利用热脱附谱仪对实验样品进行了氦的热脱附测量。辐照后的样品中，氦的存在位置主要为：间隙、空位、位错线、晶界等；存在的状态有：游离的氦原子、He-空位复合体、He-位错复合体、氦泡等。原有位错的存在会直接影响氦原子在各个位置和状态的含量，最直接的表现就是氦泡量的减少。而且位错密度的增大会使氦的小团簇量增多，并不会直接导致形成大的氦泡。通过脱附能的计算，可以得到：氦的表面吸附能为0.9eV左右，氦从位错和空位中的脱离能分别大约为2.3eV和3.2eV，而氦泡的分解脱附能大约为3.7eV。

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1绪论

1.1 背景介绍

1.2 材料中氦的基本特性

1.3 金属材料中的氦行为

1.4 辐照损伤效应

1.5 国内外研究现状

2实验原理及方法介绍

2.1正电子湮没谱学原理概述

2.2正电子湮没谱学探测技术

2.3慢正电子束流技术

2.4 TDS原理介绍及应用

2.5 本章小结

3金属材料氦辐照损伤研究

3.1离子模拟辐照损伤

3.2金属材料的He辐照效应

3.3 He辐照损伤结果讨论及分析

3.4本章小结

4位错型缺陷对He辐照效应的影响

4.1 样品的制备及处理

4.2 实验过程

4.3 基于正电子湮没的He辐照效应结果分析

4.4 位错对He离子辐照效应影响的实验结果对比讨论

4.5 本章小结

5位错型缺陷对He原子热力学行为的影响

5.1前言

5.2 TDS实验条件及过程

5.3 TDS实验结果分析

5.4本章小结

6主要结论与展望

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果

致谢