钨基合金中微观缺陷与氦的相互作用研究

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本研究中以面向等离子体材料钨基合金为研究对象,主要针对钨基合金辐照微观缺陷与He原子相互作用机制展开系统研究。采用氦离子注入引入大量的微观缺陷和氦原子。结合正电子湮没谱学(PAS)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、热脱附谱仪(TDS)、X射线衍射技术(XRD)、能量色散X射线光能谱(EDS)等先进的实验分析和表征技术,探讨不同辐照温度、辐照剂量的氦离子注入下钨及钨基合金的缺陷密度、形貌、尺寸,以及缺陷的一些变化生长分析;探究He迁移、聚集、扩散等演变过程;阐释微观缺陷与氦原子相互作用对材料表面纳米丝状结构(fuzz)形成的影响。主要结论总结如下:(1):不同辐照温度下的W和W-5%Re合金均产生大量空位型缺陷。其中500℃辐照下的纯W和W-5%Re合金的ΔS参数均大于其他辐照温度下的ΔS参数值,即500℃辐照温度下样品的肿胀最大;发现Re在一定程度上会限制钨中空位型缺陷的运动和生长。在TEM下观察到500℃辐照温度下W内产生了大量的氦泡,此外,SEM下发现起泡、晶隙变大等表面辐照损伤。在纯W中发现珊瑚状结构缺陷,W-5%Re合金发现圆形物体和丘陵沟壑状结构缺陷,并随着辐照温度的升高而增多且变大,分析珊瑚状结构和丘陵沟壑状结构之间存在的联系,猜测是由于Re的存在导致了这种差异。(2):相比较1E17 ions/cm~2的辐照剂量,5E17 ions/cm~2和1.7E18ions/cm~2辐照剂量下的纯W和97W-2Ni-Fe重合金的S-E曲线具有一个明显的峰值,这是由于随着辐照剂量的增加,在样品约20-50 nm深度处产生了大量空位型缺陷所致。此外5E17 ions/cm~2和1.7E18 ions/cm~2辐照剂量下的纯W和97W-2Ni-Fe重合金的S-W曲线均出现明显转折,表明俘获正电子缺陷的主要类型发生了改变,这可能与大量氦空位复合体的形成有关。通过正电子湮没方法发现低剂量(低于5 dpa)的情况下,纯W表现出更好的抗辐照肿胀特性,在高剂量(15 dpa)的情况下,97W-2Ni-Fe合金表现出更好的抗辐照肿胀特性。(3):97W-2Ni-Fe重合金在辐照以及等时退火过程中产生了大量的空位型缺陷,等时退火过程的RT-600℃,600-800℃以及800-1000℃三个阶段俘获正电子缺陷的主要类型发生了改变,且等时退火过程中空位型缺陷不断往样品表面区域迁移;97W-2Ni-Fe样品的基体相和W相在800℃均发现大量纳米级凸起物,且随着温度的升高这些凸起物不断粗化,研究发现这些纳米级凸起物是形成fuzz结构的种子;97W-2Ni-Fe样品的基体相较W相表现出更严重的表面损伤。基体相高密度的Ni、Fe作为He俘获点将加速He泡的成核和生长,促进基体相缺陷的演化和fuzz结构的成长;结合DBS以及TDS等发现97W-2Ni-Fe的fuzz结构的形成和空位型缺陷、氦泡等的运动密切相关。
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