氦离子辐照CuZnAl合金表面形貌及微观组织演变的研究

摘要

CuZnAl合金具有形状记忆效应、超弹性、价格便宜及易于加工等优点，被广泛应用于核反应堆和航空航天等领域。然而在辐照环境下，辐照效应是引起材料功能失效的主要原因之一。因此，本文通过 SRIM、XRD、OM、SEM、EDS、TEM 和 AFM 等方法系统的研究了氦离子辐照下，CuZnAl 合金的表面形貌及微观组织的变化，并对其变化机理进行分析，研究成果如下： 首先，通过SRIM模拟软件分析氦离子辐照CuZnAl过程中离子的传输过程，计算出在50 keV氦离子辐照下，氦离子在CuZnAl合金中的射程以及浓度分布；反冲原子（Cu、Zn、Al）的分布情况以及各原子（Cu、Zn、Al）的移位能、晶格束缚能和表面束缚能；辐照过程中的能量损失与溅射现象等。分析得出氦离子辐照CuZnAl合金中产生的点缺陷（空位、间隙原子）是辐照效应的根源，而辐照过程中的溅射虽可以加重损伤，但是溅射原子的再沉积则可以在一定程度上修复损伤。 氦离子辐照后，CuZnAl合金中并未形成新的析出相。此外，CuZnAl合金的表面产生了很大的残余拉应力，而残余拉应力的存在导致XRD中的衍射峰向低角度偏移。辐照坑是氦离子辐照CuZnAl合金表面的主要损伤形貌。通过对CuZnAl合金表面损伤机制进行分析，发现合金表面的损伤主要是由溅射现象造成的。相较低辐照剂量（0.1 dpa和1 dpa），提高氦离子的辐照剂量（10 dpa）虽然会造成一些辐照坑的长大，但溅射过程中的再沉积可以在一定程度上修复缺陷。此外，辐照过程中的自退火效应也可以很好的修复缺陷，这便使得高剂量下的辐照坑的数量有所降低。研究还发现，氦离子辐照还会使得CuZnAl合金的表面粗糙度值随剂量（0.1 dpa和1 dpa）的增加而增大，但在最高剂量（10 dpa）下反而有所降低。 在不同剂量下氦离子辐照 CuZnAl 合金中的主要缺陷为位错、氦泡、孪晶、层错、位错墙与亚晶等。位错密度与辐照剂量密切相关。在低剂量（0.1 dpa和1 dpa）情况下，与未辐照试样相比，位错数量明显增加。这是由于随着辐照剂量增加，Frankel 缺陷对数量增加，位错数量增加。而在最高剂量下，由于在缺陷聚集处间隙原子的非相关复合加强以及晶界对点缺陷和缺陷簇的吸收作用使得位错数量有所降低。此外，通过对位错和氦泡之间相互作用的分析，发现它们之间主要是Orowan作用机制，在Orowan机制 下，会出现弯曲的位错线，直的位错线以及氦泡。 氦离子辐照CuZnAl合金实验中，氦易于被空位（Vacancy，V）捕获形成 He-V 团簇，形成氦泡。在最高剂量（10 dpa）下形成的亚晶以及位错，为氦泡形核提供了大量的扩散通道以及形核位置，而氦泡在晶界处的粗化使得氦泡在晶界处的平均尺寸大于基体内部的尺寸。根据位错和晶界对氦泡的钉扎作用，可以得出氦泡只有长大到超过临界尺寸时，才可以从位错和晶界处逃脱。此外，氦泡的长大增加了Orowan应力，使得位错运动受阻进而堆积形成位错墙，而当位错墙在外力作用下进行滑移时，便形成亚晶结构，这也是氦离子辐照（10 dpa）下，位错墙和亚晶大量形成的原因。本实验还对氦离子辐照过程中形成的形变孪晶与层错进行分析，发现大块状的形变孪晶以台阶式的凸出机制逐渐长大；而细长的形变孪晶则以合并的方式逐渐长大。由于相邻亚晶以及新的亚晶会吞并层错与孪晶，所以在10 dpa剂量下造成了层错和孪晶的退化与消失。

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