Ni-Fe,Ni-Co合金抗辐照性能的分子动力学模拟研究

摘要

现代能源的稀缺促使人们开始大力发展核能源，核反应堆不断升级，因此对核材料抗辐照性能的要求也越来越高。随着单相固溶合金（SP-CAS）的提出以及对其不断的探索研究，人们发现其拥有许多优异的性能，比如良好的热稳定性、较高的机械性能、良好的耐腐蚀性能等。而Ni基合金作为一种抗辐照性能较好的金属，也一直受到研究人员的青睐。本文采用基于经典分子动力学原理的LAMMPS软件包对纯Ni、Ni-Fe和Ni-Co合金的抗辐照性能进行了研究。为了探索杂质浓度以及初级撞击原子（PKA）能量对材料抗辐照性能的影响，我们对纯Ni和五种不同浓度的Ni-Fe、Ni-Co合金进行了不少于720次的级联模拟，重点关注纯Ni和合金中产生的稳定Frenkel对数以及缺陷团簇的尺寸及分布。本文的主要工作和结论包括： 1、使用EAM势对纯Ni和Ni-xFe合金（x为Ni-Fe合金中Fe的百分含量，x=20, 25, 30, 50, 60）在三种不同PKA能量下的级联过程进行了模拟，重点关注级联过程后产生的稳定Frenkel对数以及缺陷团簇的尺寸分布。结果表明随着Fe浓度的增加，Ni-xFe合金中产生的稳定Frenkel对数与纯Ni相比有显著的降低，并且在Fe的浓度为25%-30%这一区间降幅最为明显，之后降幅明显放缓，这意味着Ni-xFe合金中Fe的含量在25%-30%时可有效抵抗辐照损伤。并且Ni-Fe合金在三种PKA能量下产生的稳定Frenkel对数量的差距要小于纯Ni，这也意味着在不同的PKA能量下，Ni-Fe合金比纯Ni拥有更高的抗辐照稳定性。 2、通过比较纯Ni和Ni-xFe合金中缺陷团簇的尺寸和大团簇的比例，发现随着Ni-xFe合金中Fe浓度的增加，间隙原子团和空位团的平均尺寸都有所下降，同时缺陷的成分组成与Ni-xFe合金中Fe的浓度有某种依赖关系。对于空位而言，由Fe贡献的空位数量占总空位数的比例仅略低于Ni-xFe合金中Fe的浓度x，但在间隙原子中没有发现这种浓度依赖关系。 3、使用MEAM势对纯Ni和Ni-xCo合金（x为Ni-Co合金中Co的百分含量， x=20, 25, 30, 50, 60）在三种不同PKA能量下的级联过程进行了模拟。对比了纯Ni和Ni-xCo合金中稳定Frenkel对数量和变化趋势，结果表明当PKA能量较低时，和纯Ni相比，Co的加入并没有明显的提高合金的抗辐照能力。当PKA能量较高，如25 keV时，随着合金中Co浓度的增加，稳定Frenkel对数较纯Ni有明显的下降，这种降幅一直延续至Ni-50Co后变缓，这表明当Co的含量为50%时，Ni-Co合金拥有最优的抗辐照性能。 4、对比两种不同作用势下纯 Ni 的缺陷情况，发现因为 MEAM 势对原有的EAM势的电位进行了扩展，导致MEAM势拥有比EAM势更硬的原子间电位，所以使用MEAM作用势计算所得到的稳定Frenkel对的数值会略低于使用EAM势所得数值，但当PKA能量高于25 keV后，这种影响开始变小。 5、在对Ni-Fe和Ni-Co合金中缺陷团簇的组成和稳定Frenkel对数较纯Ni的下降幅度进行对比后，发现Ni-Fe合金较纯Ni中产生的稳定Frenkel对数下降的幅度比Ni-Co更高，这意味着Ni-Fe合金可能拥有比Ni-Co合金更高的抗辐照性能。同时由于合金中化学环境的不同，导致各缺陷的形成能也不同，所以也造成Ni-Co合金中Co贡献的缺陷占总缺陷的比例要高于Ni-Fe合金中Fe贡献的比例。

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