低活化钢H/He辐照空位型缺陷的研究

作     者：张梓晗 

作者单位：东华理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李小燕;曹兴忠

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 082701[工学-核能科学与工程] 0827[工学-核科学与技术] 

主      题：ODS钢 RAFM钢 氢/氦 空位型缺陷 

摘      要：低活化钢作为未来聚变堆以及第四代反应堆技术良好的候选结构材料,引起研究者的广泛关注,其中包括RAFM钢和ODS钢。如今,中子嬗变产生的氢、氦导致的脆化、缺陷演化以及宏观力学性能的影响是结构材料基础物理问题研究的难点与热点。本文主要以RAFM钢和ODS钢作为研究对象,以Fe-9 wt.%Cr为基体炼制,添加W、V、C、Ta、Si等其他微量元素。本文的氢、氦原子的引入方式通过离子辐照技术完成。应用正电子湮没技术、扫描电子显微镜、原子力显微镜和同步辐射X射线衍射分析技术四种表征手段有机结合起来的方法,发挥每种分析技术的优点,深入研究低活化钢中辐照产生的微观缺陷,主要为空位型缺陷,以及缺陷对于表面肿胀,气泡产生的表面损伤的严重程度与影响。本文开展同一能量、不同辐照剂量的氦辐照ODS钢的辐照损伤的研究,不同的辐照剂量会导致不同类型的缺陷出现以及缺陷数量的变化。开展同一能量,不同的辐照剂量的氢辐照ODS钢和RAFM钢的辐照损伤研究,不同的材料在相同的辐照条件下会产生不同的辐照效应。通过SRIM模拟计算和正电子湮没谱学技术的结果分析可以知道,170 keV He辐照ODS钢的损伤范围在600 nm左右。正电子湮没寿命结果显示辐照产生的缺陷尺寸都比较小,且缺陷类型为空位型缺陷。慢正电子束多普勒展宽测量进一步确定高剂量的He辐照,He易与空位结合,占据空位形成氦—空位复合体结构,辐照剂量为1×10 cm时,形成的空位数量是最多的。样品表面的辐照损伤程度与辐照剂量呈现正相关,可以观察到有小空洞和析出物出现,5×1066 cm剂量辐照引起了表面的褶皱,这是由于在高注入剂量辐照区域向表面偏移,近表面区域形成严重的辐照损伤,可能有小氦泡的存在。X射线衍射结果显示辐照后的物相结构没有发生改变,氦致缺陷对于样品内的体相结构影响并不大。100 keV H辐照ODS钢和RAFM钢,辐照剂量分别为1×10、1×10、1×10 cm。ODS钢中氢离子产生的空位型缺陷,H与空位的结合能很低,易与空位形成复合体。高注入剂量1×10 cm的辐照缺陷类型发生变化,主要是尺寸相对较大的空位团或空洞以及辐照区向基体区过渡中存在的大量空位复合体。随着辐照剂量的增加,表面可以观察到出现大量的晶界,并且在其边缘有大量的析出物。平均晶粒尺寸是随着辐照剂量的增加而呈现增大的趋势,空位型缺陷对于样品的体相结构整体影响并不大。慢正电子束多普勒结果都显示出RAFM钢正电子湮没机制发生变化。注入剂量为1×10 cm时缺陷的尺寸总体没有发生变化,1×10 cm和1×1077 cm两种辐照剂量实验条件下的缺陷尺寸也跟随剂量的增大而有所增大,其中1×1077 cm辐照样品的尺寸变化最为显著,AFM图像观察到其表面局部出现轻微的肿胀且有大量小气泡产生。