Fe、C摻雜對(duì)鋁中氦行為的影響.pdf

1、針對(duì)金屬材料中的氦脆問(wèn)題，選擇了Fe、C摻雜鋁研究了合金元素對(duì)金屬中氦脆的抑制效應(yīng)。本文著重研究了預(yù)先摻雜的Fe、C原子對(duì)He+輻照鋁的表面形貌、微觀結(jié)構(gòu)、氦熱釋放行為的影響及與摻雜劑量的關(guān)系，從而對(duì)合金元素在金屬氦行為中的角色有了較深入的認(rèn)識(shí)。
　　在樣品制備中，采用離子注入技術(shù)實(shí)現(xiàn)鋁中Fe、C、He原子的摻雜。離子注入電壓分別為49 kV、35 kV、10 kV，劑量范圍分別為0.5～4.0、0.5～2.0、4.0×1017

2、ions.cm-2。SRIM模擬顯示，F(xiàn)e/He、C/He注入后，F(xiàn)e、C原子和He原子在鋁中有相似的深度分布。XPS、TOF-SIMS、XRD、TEM分析表明，F(xiàn)e、C原子成功地注入到鋁中，并在距離表面一定深度存在濃度最大值。注入的C原子與基體原子發(fā)生相互作用，生成了黃綠色的Al4C3;然而，在鋁基體中未能觀察到明顯的Fe-Al金屬間化合物的形成，注入的Fe原子主要以Fe原子團(tuán)簇形式存在于鋁基體中。
　　在純鋁氦行為研究中，SE

3、M分析表明，He+輻照后，純鋁表面出現(xiàn)大小、分布不均勻的鼓泡現(xiàn)象;TEM分析表明，晶界和晶粒內(nèi)部均形成了大量空洞，且前者部分空洞發(fā)生了合并生長(zhǎng);THDS分析顯示，純鋁樣品中的He釋放可歸因于HenVm的高溫離解，其氣體釋放存存四個(gè)溫度區(qū)間，并可分別歸于小間隙環(huán)的解離、位錯(cuò)環(huán)的合并、位錯(cuò)環(huán)的皺縮及氦泡向樣品表面的遷移。此外，氦釋放行為與升溫速率、溫度、晶型等密切相關(guān)，不遵循通常的一級(jí)化學(xué)反應(yīng)模型，而可能遵循多級(jí)化學(xué)反應(yīng)模型或一級(jí)和多級(jí)的混

4、合反應(yīng)模型。
　　預(yù)先摻入的Fe、C雜質(zhì)元素在鋁的氦行為中扮演重要角色，且影響程度與摻雜劑量有關(guān)。SEM分析表明，小劑量(5.0×1016 ions.cm-2)摻雜后，能有效抑制鼓泡的長(zhǎng)大，并使表面鼓泡均勻分布;但高劑量引入后，將加劇He+的輻照損傷，出現(xiàn)剝落、重復(fù)剝落、孔洞甚至脫落現(xiàn)象。TEM結(jié)果指出，F(xiàn)e、C摻雜后，基體中形成了第二相沉淀，增加了氦泡的形核中心，同時(shí)使晶格產(chǎn)生畸變，兩者共同作用影響了鋁中的微觀結(jié)構(gòu)演化，從而影響

5、了鋁中的氦行為。氦熱釋放行為研究表明，F(xiàn)e、C摻雜樣品的THDS譜中仍存在四個(gè)氣體釋放區(qū)間，并成功分辨出對(duì)應(yīng)于He-X-V(X=Fe、C)復(fù)合物的脫附峰。它們?cè)跓崃W(xué)上更穩(wěn)定，分解溫度更高。小劑量C摻雜后，氣體釋放延遲，但高劑量(≥1.0×1017 ions.cm-2)摻雜后又會(huì)使低溫區(qū)氣體釋放增加，且在700℃以前He就已釋放完全。然而，在整個(gè)Fe摻雜劑量范圍內(nèi)，氣體釋放均延遲，但隨著摻雜量的增加，低溫區(qū)逐漸出現(xiàn)微小釋放峰。此外，摻雜