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、本文對作為第四代核反應堆用結構候選材料之一的Inconel718合金進行了He+離子輻照效應的研究，研究工作主要圍繞He+離子輻照后合金表面形貌結構的改變、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陣原子碰撞產(chǎn)生的點缺陷。

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，這會導致表層材料的刻蝕損傷，但也具有一定修復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+離子的輻照劑量會造成合金中一些輻照坑的持續(xù)長大，但也會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。納米多孔結構是使用

3、SEM在輻照合金表面發(fā)現(xiàn)的納米結構，且輻照劑量越高，合金表面的納米孔平均直徑越高。此外，He+離子輻照會導致合金表面δ相出現(xiàn)一定程度的縮小與缺失，這一現(xiàn)象會隨著輻照劑量的增加而變的愈發(fā)嚴重。He+離子輻照還會造成合金表面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缺陷是引起輻照層中輻照缺陷與微觀組織結構演化的根源。He+離子輻照會破壞Inconel718合金的晶

4、體結構，在合金中形成位錯、位錯環(huán)、空洞等輻照缺陷。而提高He+離子輻照的劑量會導致合金中位錯結構（位錯和位錯環(huán))密度及晶格畸變程度的增加。輻照過程中，間隙/空位型位錯環(huán)既可以通過吸收同種類型的點缺陷而長大，也會因為釋放同種類型點缺陷或吸收相反類型的點缺陷而縮小，而空洞則會隨著輻照劑量的增加逐漸長大。此外，He+離子輻照還會造成γ"相的有限溶解并導致其尺寸的減小，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、離子輻照還會造成合金微觀組織結構的變化，在未輻照合金中并未發(fā)現(xiàn)明顯的位錯結構，而0.4dpa輻照合金中已出現(xiàn)明顯的位錯線段，4dpa輻照合金中可以觀察到位錯胞結構，40dpa輻照合金中則能發(fā)現(xiàn)亞晶結構。其實，輻照合金中的微觀組織結構演化主要歸因于輻照誘發(fā)的位錯結構與合金中γ'和γ"相的相互作用。在輻照合金中，位錯線會以切過機制通過尺寸較小的γ'相，而對于尺寸較大的γ"相，位錯線則會以Orowan繞過機制繞過。基于位錯線繞過γ"相留下的O

6、rowan位錯環(huán)會增加后續(xù)位錯線與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位錯環(huán)的γ"相對位錯線的阻礙能力，進而優(yōu)化了驅(qū)動位錯線繞過γ"相的作用應力（τap）方程。
　　另一方面，基于輻照合金中位錯線與γ"相的相互作用以及交滑移位錯的增強作用，建立了由γ"相、Orowan位錯環(huán)和塞積位錯組成的花生狀復合體的模型，并提出Orowan繞過機制和交滑移增強機制是輻照合金中花生狀復合體的形核與長大機制。而且，使

7、用花生狀復合體模型可以很好的解釋不同劑量輻照合金中所出現(xiàn)的微觀結構，揭示了花生狀復合體逐步演化形成位錯胞和亞晶的過程。此外，還發(fā)現(xiàn)滑移帶傳播是較高劑量輻照合金中位錯運動的機制之一。
　　He+離子輻照會導致Inconel718合金的硬化，且He+離子輻照劑量越大，硬化作用越明顯。這主要是因為He+離子輻照在Inconel718合金中形成的大量輻照缺陷會增加變形過程中位錯開動和運動的阻力，進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制。另外需要注意的是，He+離子輻照還會影響Inconel718合金的高溫氧化性能。在900℃氧化100h后發(fā)現(xiàn)，所有試驗合金的氧化動力學曲線均符合拋物線規(guī)律，且合金的氧化增重會隨著輻照劑量的增加而降低。這主要是因為He+離子輻照會引起合金表面能的升高，有效促進氧化初期合金表面氧化物的形核。且輻照產(chǎn)生的位錯、位錯胞壁、亞晶界等缺陷區(qū)可以作為Cr離子向表面快速擴散的短途通道，促進Cr元素的選擇性氧化形