離子輻照Inconel718合金表面形貌與微觀組織演變及性能變化的研究.pdf

1、本文對(duì)作為第四代核反應(yīng)堆用結(jié)構(gòu)候選材料之一的Inconel718合金進(jìn)行了He+離子輻照效應(yīng)的研究，研究工作主要圍繞He+離子輻照后合金表面形貌結(jié)構(gòu)的改變、輻照層中輻照缺陷與微觀組織的演化和輻照所引起的合金性能變化等幾個(gè)方面開展。
　　首先，通過SRIM軟件模擬了He+離子在Inconel718合金中的傳輸過程，計(jì)算了50keV的入射He+離子在Inconel718合金中的射程、濃度分布、能量損失及與合金點(diǎn)陣原子碰撞產(chǎn)生的點(diǎn)缺陷。

2、另外，研究了不同劑量He+離子輻照引起的合金表層原子的濺射與再沉積，這會(huì)導(dǎo)致表層材料的刻蝕損傷，但也具有一定修復(fù)合金表面輕微損傷的能力。
　　輻照坑是通過激光共聚焦顯微鏡在所有輻照合金中觀察到的主要損傷形貌。提高He+離子的輻照劑量會(huì)造成合金中一些輻照坑的持續(xù)長(zhǎng)大，但也會(huì)因沉積作用而造成一些新輻照坑的消失。另外，在沒有輻照坑出現(xiàn)的區(qū)域，He+離子輻照會(huì)造成合金表面粗糙度的增加，且輻照劑量越高，合金表面粗糙度越高。納米多孔結(jié)構(gòu)是使用

3、SEM在輻照合金表面發(fā)現(xiàn)的納米結(jié)構(gòu)，且輻照劑量越高，合金表面的納米孔平均直徑越高。此外，He+離子輻照會(huì)導(dǎo)致合金表面δ相出現(xiàn)一定程度的縮小與缺失，這一現(xiàn)象會(huì)隨著輻照劑量的增加而變的愈發(fā)嚴(yán)重。He+離子輻照還會(huì)造成合金表面MC的濺射損耗，隨著輻照劑量的增加，合金表面MC尺寸不斷減小，且表面平均碳含量也逐漸降低。
　　輻照過程中形成的點(diǎn)缺陷是引起輻照層中輻照缺陷與微觀組織結(jié)構(gòu)演化的根源。He+離子輻照會(huì)破壞Inconel718合金的晶

4、體結(jié)構(gòu)，在合金中形成位錯(cuò)、位錯(cuò)環(huán)、空洞等輻照缺陷。而提高He+離子輻照的劑量會(huì)導(dǎo)致合金中位錯(cuò)結(jié)構(gòu)（位錯(cuò)和位錯(cuò)環(huán))密度及晶格畸變程度的增加。輻照過程中，間隙/空位型位錯(cuò)環(huán)既可以通過吸收同種類型的點(diǎn)缺陷而長(zhǎng)大，也會(huì)因?yàn)獒尫磐N類型點(diǎn)缺陷或吸收相反類型的點(diǎn)缺陷而縮小，而空洞則會(huì)隨著輻照劑量的增加逐漸長(zhǎng)大。此外，He+離子輻照還會(huì)造成γ"相的有限溶解并導(dǎo)致其尺寸的減小，且He+離子輻照劑量越高，γ"相的平均尺寸越小。
　　不同劑量的He+

5、離子輻照還會(huì)造成合金微觀組織結(jié)構(gòu)的變化，在未輻照合金中并未發(fā)現(xiàn)明顯的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，而0.4dpa輻照合金中已出現(xiàn)明顯的位錯(cuò)線段，4dpa輻照合金中可以觀察到位錯(cuò)胞結(jié)構(gòu)，40dpa輻照合金中則能發(fā)現(xiàn)亞晶結(jié)構(gòu)。其實(shí)，輻照合金中的微觀組織結(jié)構(gòu)演化主要?dú)w因于輻照誘發(fā)的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)與合金中γ'和γ"相的相互作用。在輻照合金中，位錯(cuò)線會(huì)以切過機(jī)制通過尺寸較小的γ'相，而對(duì)于尺寸較大的γ"相，位錯(cuò)線則會(huì)以O(shè)rowan繞過機(jī)制繞過?；谖诲e(cuò)線繞過γ"相留下的O

6、rowan位錯(cuò)環(huán)會(huì)增加后續(xù)位錯(cuò)線與γ"相間的彈性作用，本文提出用有效尺寸deff來反映環(huán)有Orowan位錯(cuò)環(huán)的γ"相對(duì)位錯(cuò)線的阻礙能力，進(jìn)而優(yōu)化了驅(qū)動(dòng)位錯(cuò)線繞過γ"相的作用應(yīng)力（τap）方程。
　　另一方面，基于輻照合金中位錯(cuò)線與γ"相的相互作用以及交滑移位錯(cuò)的增強(qiáng)作用，建立了由γ"相、Orowan位錯(cuò)環(huán)和塞積位錯(cuò)組成的花生狀復(fù)合體的模型，并提出Orowan繞過機(jī)制和交滑移增強(qiáng)機(jī)制是輻照合金中花生狀復(fù)合體的形核與長(zhǎng)大機(jī)制。而且，使

7、用花生狀復(fù)合體模型可以很好的解釋不同劑量輻照合金中所出現(xiàn)的微觀結(jié)構(gòu)，揭示了花生狀復(fù)合體逐步演化形成位錯(cuò)胞和亞晶的過程。此外，還發(fā)現(xiàn)滑移帶傳播是較高劑量輻照合金中位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的機(jī)制之一。
　　He+離子輻照會(huì)導(dǎo)致Inconel718合金的硬化，且He+離子輻照劑量越大，硬化作用越明顯。這主要是因?yàn)镠e+離子輻照在Inconel718合金中形成的大量輻照缺陷會(huì)增加變形過程中位錯(cuò)開動(dòng)和運(yùn)動(dòng)的阻力，進(jìn)而起到硬化合金的作用。因而源硬化和摩擦硬化

8、是引起輻照合金硬度增加的兩種主要硬化機(jī)制。另外需要注意的是，He+離子輻照還會(huì)影響Inconel718合金的高溫氧化性能。在900℃氧化100h后發(fā)現(xiàn)，所有試驗(yàn)合金的氧化動(dòng)力學(xué)曲線均符合拋物線規(guī)律，且合金的氧化增重會(huì)隨著輻照劑量的增加而降低。這主要是因?yàn)镠e+離子輻照會(huì)引起合金表面能的升高，有效促進(jìn)氧化初期合金表面氧化物的形核。且輻照產(chǎn)生的位錯(cuò)、位錯(cuò)胞壁、亞晶界等缺陷區(qū)可以作為Cr離子向表面快速擴(kuò)散的短途通道，促進(jìn)Cr元素的選擇性氧化形