离子辐照对材料中扩散行为的长程影响及其机制研究

摘要

非线性科学的迅速发展使其成为众多学科的前沿课题之一，孤子作为非线性科学的一个分支，在许多工程领域有着重要应用。晶体点阵中，由于非线性原子间作用力和点阵离散性之间的耦合，在一定条件下，使得晶格振动发生局域化，振动模式能量的传输呈现长程传播而不衰减的孤子特性，这种振动模式称为晶格振动孤子。可以预测这一效应对材料的诸多行为如扩散、相变等产生影响。
　　离子辐照损伤缺陷和晶格振动孤子效应都可能对扩散产生影响，其中辐照损伤缺陷只能在辐照损伤区影响扩散行为，而晶格振动孤子效应可以长程传播而能量不发生衰减，进而可能对辐照损伤区以外的扩散行为产生影响，据此本文设计了在远离辐照损伤区引入扩散偶这一试验方案，分离了辐照损伤缺陷与晶格振动孤子效应。本文研究了离子辐照诱发晶格振动孤子对材料间隙扩散、置换扩散和表面偏聚行为的长程作用，以及离子能量、束流密度、孤子传播距离、晶界在晶格振动孤子效应分别与间隙扩散、置换扩散和表面偏聚耦合过程中起到的作用。
　　针对离子辐照诱发晶格振动孤子与材料间隙扩散行为的长程耦合效应，设计了Fe-C在铁素体—奥氏体双相区的反应扩散过程。预制200mm厚度脱碳层的45钢，在铁素体/奥氏体双相温度区保温，碳从基体向脱碳层中迁移，并诱发铁素体向奥氏体的转变。该过程由碳在远离表面的奥氏体中扩散所决定，因而分离了辐照损伤效应与晶格振动孤子效应。用定量金相法分析奥氏体含量的深度分布，进而评价碳的扩散。在这一过程中对材料表面施加离子辐照，研究离子辐照对碳在铁中间隙扩散的影响规律。试验结果表明，预制柱状晶脱碳层的45钢，在双相区温度保温时，碳沿晶界优先向表面扩散，使铁素体柱状晶晶界处碳含量升高，发生奥氏体转变，奥氏体从晶界向晶内长大；在保温过程中对表面施加氩离子辐照，会使碳向表面的扩散受到抑制；随着离子能量的升高和离子束流密度的增大，碳的扩散受到更加显著的抑制；碳的扩散发生在距辐照表面200mm深度内，由此可知离子辐照对辐照损伤区以外的碳扩散产生了抑制作用。预制等轴晶脱碳层的45钢，表面100mm内碳的扩散受到抑制，而100-200mm内碳的扩散未受影响，说明晶界对离子辐照诱发长程效应的衰减作用。碳在奥氏体中扩散的微观过程是碳在奥氏体晶格相邻八面体间隙之间的迁移；离子辐照诱发晶格振动孤子，导致奥氏体中八面体间隙畸变，因此碳的扩散激活能升高，扩散系数降低，碳向表面的扩散受到抑制。
　　针对离子辐照诱发晶格振动孤子与材料置换扩散行为的长程耦合效应，设计了Cu-Ni互扩散体系。利用铜-镍体系无限固溶的特性，在定向凝固单晶和柱状晶铜，以及多晶铜片状样品正面，用磁控溅射方法沉积镍镀层，扩散时在远离样品扩散偶的一端即样品背面施加离子辐照，即分离了辐照损伤效应与晶格振动孤子效应。研究了样品厚度、离子能量和离子束流密度对铜-镍扩散行为的影响。试验中使用辉光放电光谱方法分析了镍的浓度分布；使用扫描电子显微分析了基体和镀层的组织结构；使用正电子寿命谱和慢正电子湮没多普勒展宽谱方法分析了单晶铜经过离子辐照后未辐照面的缺陷状态。试验结果表明，在以单晶或柱状晶铜为基体的铜-镍扩散偶中，离子辐照对铜镍之间的扩散产生了长程的加速作用，随着样品厚度的降低和离子能量的升高，扩散系数有所增加；而离子束流密度的增大对扩散系数不产生显著影响。离子辐照使镍在单晶铜中的扩散激活能由1.01eV降为0.94eV，频率因子由3.48×10-7cm2/s降为2.34×10-7cm2/s。在以柱晶铜为基体的扩散偶中，离子辐照对铜的再结晶行为产生了显著的加速作用。在以多晶铜为基体扩散偶中，离子辐照对铜镍界面的扩散无显著影响，显示晶界对长程效应的阻碍特性。正电子分析显示，离子辐照导致未辐照次表面空位类缺陷含量降低。提出了离子辐照长程加速置换扩散的机制：扩散的长程加速不是由辐照损伤缺陷扩散至铜镍扩散偶位置所导致，而是由于离子辐照诱发的晶格振动孤子效应降低了扩散偶附近晶体的空位迁移能，使扩散系数增大。
　　铜-镍扩散试验中发现，铜元素在镍镀层表面发生偏聚，离子辐照导致表面偏聚效应显著增强，偏聚深度达到约500nm，随样品厚度的降低，表面偏聚效应更加显著。结合离子辐照对单晶铜缺陷状态长程影响的试验结果，提出了离子辐照长程加速表面偏聚的机制。离子辐照诱发晶格振动孤子效应导致空位迁移能的降低，及空位迁移向表面方向的概率增大，导致空位向表面空位闾的流量增大；在铜-镍体系中，空位迁移与铜原子迁移耦合且方向相反，因而空位向表面的加速迁移，导致平衡偏聚在极表面的铜向次表面加速迁移。

目录

离子辐照对材料中扩散行为的长程影响及其机制研究

STUDY ON BEHAVIOR AND MECHANISM OFLONG RANGE EFFECT OF ION IRRADIATION ONDIFFUSION

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1 章 绪 论

1.1 课题背景

1.1.1 离子辐照加速扩散及其经典理论

1.1.2 离子辐照加速扩散经典理论存在的问题

1.2 国内外研究进展

1.2.1 等离子扩渗处理的研究现状

1.2.2 非线性效应概述

1.2.3 扩散微观机制的研究现状

1.2.4 研究现状分析

1.3 主要研究内容

第2 章 试验设计与研究方法2.1 试

2.1 试验设计

2.1.1 离子辐照长程影响间隙扩散行为的试验设计

2.1.2 离子辐照长程影响置换扩散和表面偏聚行为的试验设计

2.2 分析测试方法

2.2.1 微观组织分析

2.2.2 溅射速率与膜层厚度测量

2.2.3 晶体学取向表征

2.2.4 元素浓度分布测量

2.2.5 材料缺陷状态的表征方法

第3 章 离子辐照辅助扩散试验装置的设计与样品温度一致性的研究

3.1 离子辐照辅助扩散的试验装置设计

3.2 样品温度一致性的计算模型

3.2.1 温度场模型的建立

3.2.2 材料的物理参数

3.2.3 边界条件的确定

3.2.4 网格划分及模拟过程的控制

3.3 加热温度和辐照功率对样品温度一致性的影响

3.3.1 样品温度一致性的模拟结果

3.3.2 温度一致性的试验验证

3.4 本章小结

第4 章 离子辐照与材料间隙扩散行为的长程耦合及机制分析

4.1 基体材料与脱碳层的制备

4.1.1 基体材料

4.1.2 脱碳层的制备

4.2 扩散试验参数的选择

4.3 离子辐照对碳在脱碳层中扩散行为的影响

4.3.1 氩离子辐照对柱状晶脱碳层中碳扩散动力学的长程作用

4.3.2 辐照能量和束流密度对柱状晶脱碳层中碳扩散行为的长程作用

4.3.3 氩离子辐照对等轴晶脱碳层中碳扩散动力学的长程作用

4.5 本章小结

4.4 离子辐照与间隙扩散长程耦合的机理分析

第5 章 离子辐照与材料置换扩散及表面偏聚行为的长程耦合及机制分析

5.1 基体材料与铜-镍扩散偶的制备

5.1.1 基体材料

5.1.2 铜-镍扩散偶的制备

5.2 扩散试验参数的选择

5.3 元素浓度分布曲线的校准与扩散系数的求解

5.3.1 浓度分布曲线的校准

5.3.2 扩散系数的求解

5.4 氩离子辐照对镍在单晶铜中扩散行为的长程作用

5.4.1 样品厚度对镍在单晶铜中扩散的影响

5.4.2 氩离子能量对镍在单晶铜中扩散的影响

5.4.3 氩离子束流密度对镍在单晶铜中对扩散的影响

5.4.4 离子辐照对扩散激活能和频率因子的长程作用

5.5 氩离子辐照对镍在柱状晶铜中扩散行为的长程作用

5.6 氩离子辐照对镍在多晶铜中扩散行为的影响规律

5.6.1 样品厚度对镍在多晶铜中扩散的影响

5.6.2 氩离子能量对镍在多晶铜中扩散的影响

5.7 氩离子辐照对铜在镍镀层表面偏聚行为的影响规律

5.8 离子辐照与置换扩散和表面偏聚长程耦合的机制分析

5.8.1 离子辐照对镀层组织及基体状态缺陷的影响规律

5.8.2 离子辐照与置换扩散长程耦合的机制分析

5.8.3 离子辐照与表面偏聚长程耦合的机制分析

5.9 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

学位论文原创性声明

学位论文使用授权说明

致 谢

个人简历