氦离子辐照7075铝合金表面形貌及其微观组织变化研究

发布时间：2020-08-25 15:49

【摘要】：本文采用航空航天7075铝合金作为实验对象,并用氦离子注入的方法来模拟太空中氦离子辐照对该铝合金造成的损伤。研究工作主要围绕辐照过程的SRIM模拟计算、铝合金的表面形貌改变、离子辐照层中辐照缺陷与微观组织演变三个方面进行,并探讨这些缺陷损伤所产生的原因。本次实验中,氦离子注入的剂量分别为10~(15) ions/cm~2、10~(16) ions/cm~2和10~(17) ions/cm~2,并使用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱分析仪(EDS)、原子力显微镜(AFM)、X射线衍射分析仪(XRD)和透射电子显微镜(TEM)等实验设备系统分析了辐照前后的7075铝合金。研究结果如下:SRIM-2008模拟软件计算得出50keV氦离子在7075铝合金中的能量损失、离子射程和浓度分布;反冲原子(Al、Zn、Mg、Cu)的分布情况与移位能、晶格束缚能和表面溅射能;碰撞过程中产生的点缺陷和溅射现象等。SRIM进一步分析表明,氦离子辐照将导致原子离位损伤,当注入剂量为10~(17)ions/cm~2时,离位损伤的峰值约为6dpa,10~(16)ions/cm~2的离位损伤峰值为0.6dpa,而10~(15)ions/cm~2的损伤量为0.06dpa。就单个氦离子在7075铝合金的传输而言,将会在合金中导致97次晶格原子离位,这其中包括4次置换撞击和产生93个空位。恰恰是级联碰撞所造成的点缺陷以及作为杂质的氦原子是辐照损伤的根源。辐照坑和微裂纹是辐照7075铝合金样品表面观察到的主要损伤形貌,辐照坑基本分布于颗粒相S(Al_2CuMg)上,微裂纹主要分布于颗粒相Al_7Cu_2Fe之上。随着注入剂量的增加,点蚀坑的数量越来越多,尺寸也持续长大,甚至成长为孔洞,并在其周围形成微裂纹。正是如此,氦离子辐照会导致铝合金表面粗糙度增加。此外,氦离子辐照会导致表面S(Al_2CuMg)相和Al_7Cu_2Fe相出现一定程度的缩小与缺失,这一现象会随着辐照剂量的增加而变得愈加严重。同样,氦离子辐照对材料表层微观结构的变化有着很大的影响。辐照引起的点缺陷及团簇导致了晶格畸变,并在晶体中产生了压应力。此外,氦离子辐照没有产生新相,反倒是晶粒中MgZn_2相变少了。除此之外,入射氦离子与7075铝合金中的原子发生碰撞后,产生的高密度点缺陷和注入氦原子会形成超饱和固溶体和高的应力区,从而引起位错、位错环和氦泡等辐照缺陷的出现。位错密度会随着辐照剂量的增加而变大,且位错的移动与聚集会产生不同形态的位错结构。当辐照剂量为0.6dpa时,辐照样品中不仅出现了大量位错,还观察到了位错墙及亚晶结构。当辐照剂量为6dpa时,辐照铝合金的亚晶中同样出现了致密的位错缠结。除此之外,在0.6dpa剂量下观察到大量尺寸较小的氦气泡,剂量增加到6dpa时氦泡的尺寸相对0.6dpa时的氦泡尺寸变大。除了氦泡,在6dpa剂量下也观察到位错环,且位错环与氦泡的出现会阻止位错的移动。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V252.2
【图文】：

铝合金,热处理强化

1.变形铝合金；2.铸造铝合金；3.非热处理强化铝合金；4.热处理强化铝合金图 1.1 铝合金的分类Fig.1.1 The classification of aluminum alloys处理强化的铝合金不能通过热处理的方法进行强化，这是因为温不能引起相变化，工业纯铝(1×××系)、Al-Mn 合金(3×××系××系)这三类铝合金均是非热处理强化铝合金。但是这类合金具因此又被称作防锈铝。热处理强化的铝合金可以通过热处理的一般是通过固溶处理加时效处理的方式来强化合金材料，Al-系)、Al-Mg 合金(5×××系)，Al-Mg-Si 合金(6×××系)和 Al-Zn-M)都是可热处理强化的铝合金。由于这部分铝合金的强度很高，、超硬铝。铝合金根据主要合金化元素的不同[27-28]，可以分为四大类：(作为主要合金元素，进一步提高合金的铸造性能，Al-Si 共晶

示意图,辐照,离位原子,示意图

图 1.2 辐照产生的基本缺陷示意图Fig.1.2 The schematic of basic defects by irradiation.2 级联碰撞在粒子辐照过程中，被撞材料原子接受的能量不同，导致有的原子会发生，有的则不会，而决定材料原子能否发生离位的最低能量称为原子的离位阈，简称为 Ed。也就是说，只有当被击中原子接受的能量≥Ed时，它才可变成原子。如图 1.3 所示，那些被入射粒子直接撞击的材料原子被称为初级碰撞，简称 PKA。如果 PKA 的能量超过 Ed，那么它将离开原来的晶格点阵，向邻近的材料原子传递，继续产生碰撞并形成二级离位原子[39]。以此类推有足够能量的各级的离位原子将继续导致下一级离位原子的产生，直至碰撞的能量不足。这一碰撞移位过程就称为级联碰撞(cascade collision)。

形貌,氦离子,试样,光镜

氦离子辐照 7075 铝合金表面形貌及其微观组织变化研究除了以上的材料内部微观组织的变化之外，对材料进行辐照时，通常在这些载能离子的轰击下，材料表层原子会出现溅射现象，而持续的溅射将导致材料表面的刻蚀，甚至裂纹的出现。N.J. Dutta 等[19]对钨进行氦离子辐照来研究辐照损伤。通过一些表征仪器的观察和检测后发现，在较低的放大倍数下可以看到氦离子注入后的靶材表形成了微米级的均匀网格裂纹，增加放大倍数后，可以明显的看到一些晶体缺陷，如：孔隙、针孔、气泡、微裂纹，如图 1.7 所示。

【参考文献】