Ti、Zr、Er氚化物的時效效應(yīng)研究.pdf

1、金屬氚化物由于具有高吸附容量、低平衡壓的特點在含氚部件和聚變能源氘氚燃料循環(huán)等方面都具有極其重要的作用。但目前對金屬氚化物中3He演化規(guī)律仍然缺乏系統(tǒng)的、全過程的認識，還不能對金屬氚化物的固氦能力從固氦機理上進行有效評估和預(yù)測。本論文針對具有不同固氦能力的Ti、Zr、Er三種氚化物體系，綜合采用靜態(tài)3He釋放測量、X-射線衍射(XRD)、3He熱解析實驗等手段對其時效過程進行系統(tǒng)研究，揭示金屬氚化物中3He演化的規(guī)律，建立Ti、Zr、E

2、r三種典型氚化物的時效演化模型，探討影響材料固氦性能的關(guān)鍵參數(shù)，確定評價金屬氚化物固氦能力的特征量，從而評估和預(yù)測金屬氚化物固氦能力。
　　金屬氚化物靜態(tài)3He釋放測量是在無油超高真空測試系統(tǒng)上通過四極質(zhì)譜計法持續(xù)測量其3He釋放量。靜態(tài)3He釋放測量曲線是目前評價金屬氚化物固氦能力最直接最可靠的手段。通過Ti、Zr、Er三種氚化物的靜態(tài)3He釋放測量，認識了其室溫3He釋放宏觀行為，獲得了三種金屬氚化物的固氦閾值（fcc氚化鋯為

3、0.50～0.53、fcc氚化鉺為～0.30、fcc氚化鈦為0.25～0.28），發(fā)現(xiàn)了初始原子比和雙相組成對其固氦閾值的影響。
　　金屬氚化物的變溫?zé)峤馕龇ㄊ窃谡婵諚l件下對樣品進行線性加熱，升溫過程中采用四極質(zhì)譜(QMS)對解吸出的氣體組分進行在線測量，從而獲得反映樣品中3He原子的存在狀態(tài)和演化信息的3He熱解吸譜(THDS)。通過對全壽命期內(nèi)氚化鈦中3He的熱解吸行為進行研究，獲得了3He在金屬氚化物中典型的存在狀態(tài)。在此基

4、礎(chǔ)上，選取特征階段的氚化鉺和氚化鋯樣品開展了THDS對比研究，發(fā)現(xiàn)其3He存在狀態(tài)與氚化鈦有所不同。
　　金屬氚化物的等溫?zé)峤馕龇ㄊ窃谡婵諚l件下利用QMS觀測恒溫下3He釋放量與時間的關(guān)系，從而計算3He在材料中的擴散系數(shù)和擴散活化能等動力學(xué)參數(shù)。采用等溫?zé)峤馕黾夹g(shù)研究了氚化鈦、氚化鋯和氚化鉺中3He的擴散行為，獲得其室溫擴散系數(shù)，分別為:fct氚化鋯《0.04-2.39)×10-20 m-2/s）、fcc氚化鈦《0.36-1.5

5、1)×10-20 m2/s)、fcc氚化鉺《0.88-31.39)×1019 m-2/S)。
　　采用XRD對Ti、Zr、Er三種氚化物時效過程的晶體結(jié)構(gòu)變化開展了連續(xù)測量，系統(tǒng)研究了晶格常數(shù)、半峰寬和線型不對稱性隨3He/M比的變換規(guī)律，結(jié)合X射線衍射理論揭示了3He演化導(dǎo)致的晶體缺陷的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)三種金屬氚化物晶體容納有限尺寸缺陷的能力從大到小為:fct氚化鋯、fcc氚化鉺、fcc氚化鈦;三種金屬氚化物中無限尺寸缺陷（位錯、

6、位錯網(wǎng)）變化規(guī)律與晶面指數(shù)(hk1)相關(guān)性不同;容納孿生層錯的能力從大到小為:fct氚化鋯、fcc氚化鉺、fcc氚化鈦。同時，探索了相組成對氚化鈦和氚化鉺時效過程晶格常數(shù)變化規(guī)律的影響。
　　運用XRD、SEM等手段對現(xiàn)有電阻和電子槍鍍膜工藝制備的鈦膜顯微組織結(jié)構(gòu)開展了研究，并結(jié)合相關(guān)靜態(tài)3He釋放、時效XRD分析和3He熱解析實驗的結(jié)果，認識了鈦膜顯微組織結(jié)構(gòu)對其固氦能力的影響，發(fā)現(xiàn)具有強烈取向、晶粒尺寸較小、較多缺陷的纖維晶粒

7、將會降低其固氦性能。在此基礎(chǔ)上，探索電阻和電子槍鍍膜工藝制備的氚化鋯的顯微組織結(jié)構(gòu)對其固氦能力的影響。
　　通過綜合分析靜態(tài)3He釋放、XRD、3He熱解析實驗的結(jié)果，晶體缺陷狀態(tài)時效過程的變化，參考已有的氦演化機制，建立了Ti、Er、Zr三種金屬氚化物全壽命3He時效模型:3He在fcc氚化鈦和fct氚化鋯中的典型演化過程均可分為6個階段（3He遷移聚集成團簇、Griffith型3He納米微裂紋的生長、片狀3He泡的生長、球形3

8、He泡的生長、相鄰球形3He泡破裂融合和貫通3He泡網(wǎng)絡(luò)形成），采用球形3He泡應(yīng)力誘導(dǎo)-阻礙沖出位錯環(huán)機制結(jié)合相鄰泡的帶狀應(yīng)力破裂機制數(shù)值模擬成功評估了其3He加速釋放閾值;3He在fcc氚化鉺中的演化過程則可分為5個階段（3He遷移聚集成團簇、Griffith型3He納米微裂紋的生長、片狀3He泡的生長、相鄰片狀3He泡破裂融合和貫通3He泡網(wǎng)絡(luò)形成），采用片狀3He泡位錯偶極子膨脹機制結(jié)合相鄰片狀3He泡帶狀應(yīng)力破裂機制數(shù)值模擬成

9、功評估了其3He加速釋放閾值。
　　對比分析三種金屬氚化物3He演化行為的異同，獲得了評估Ti、Zr、Er氚化物固氦能力的特征指標(biāo)——晶胞體積變化發(fā)生轉(zhuǎn)折時3He/M。并結(jié)合鈦基氚化物體系的實驗研究結(jié)果，對所提出的評價材料固氦性能特征量進行了驗證。
　　在所建立的3He時效模型基礎(chǔ)上，揭示了影響金屬氚化物固氦性能的主要特征參量:3He泡密度和力學(xué)性能（楊氏模量、剪切模量、破裂強度），建立了3He泡密度和力學(xué)性能與其固氦性能間

10、的關(guān)系，確定了Ti、Er、Zr三種金屬氚化物固氦性能的理論上限，提出了提高其固氦性能的基本思路:一是控制其形核階段改變其3He泡密度，即降低fcc氚化鈦和fct氚化鋯中3He泡密度，增加fcc氚化鉺中3He泡密度;二是提高金屬氚化物的力學(xué)性能。
　　通過上述工作的開展，使我們對金屬氚化物中的3He行為有了系統(tǒng)認識，揭示了其中3He泡的演化規(guī)律，建立了Ti、Er、Zr三種金屬氚化物全壽命的3He時效模型，認識了影響金屬氚化物固氦性能