铝和钛合金中氦行为的小角X射线和中子散射研究
发布时间：2020-08-22 15:07
【摘要】：本文旨在以小角散射技术(SAS)研究辐照引入氦的掺硼铝(r-Al(He))和磁控溅射包埋法制备的含氦钛膜(m-Ti(He))中的氦演化行为为导向,发展小角散射实验和数据分析技术,重点对掺硼铝试样制备及其中的氦演化行为进行了深入研究,借助透射电镜(TEM)辅助分析表明,SAS结果可靠；对包埋法制备的含氦钛及钛合金膜中氦行为的分析,用SAS研究了不同退火工艺下Ti和TiMo合金合中氦泡状态与温度的关系。本研究工作对SAS技术在材料中氦行为分析表征中的应用具有借鉴意义。 本论文主要研究内容及创新点包括以下三方面： (1)小角散射技术发展。针对原位加载的试样封装对信号的影响,提出不同谱仪布局测试方法,较好地克服了样品容器和环境背底对实验数据的影响；针对现有程序中心识别存在重复性差的问题,引入二维高斯函数拟合确定束流中心法,有效地降低了束流中心测定误差；开发了通用的小角散射数据分析程序MySAS,填补了国内SAS数据分析程序空白,其丰富的算法模型、灵活的数据操作以及扩展,大大减轻了数据处理的人工负担。 (2)Al-B材料研究。利用硼-10的(n,a)核反应,成功制备了含氦量达6.2×1019cm-3的Al-B材料。原位小角中子散射(SAXS)并结合TEM分析发现,室温下辐照后的合金体内部存在一些颗粒和孔洞,颗粒和孔洞随退火温度升高消失,而He原子不断聚集形成氦泡、逐渐长大,当温度达到700℃时,He泡半径增大到近10nm。X射线衍射(XRD)和中子衍射分析表明,辐照前后试样中没有第二相存在,但硼原子引入使得铝晶格常数增大,中子辐照引入He后使得晶格常数进一步增大,这应该是生成的Li和He原子进入铝晶格引起。辐照后的样品经热处理后,晶格常数因氦原子脱离晶格间隙位而回复。用第一性原理计算给出Li原子间隙引起晶胞体积增长最大,He次之,B最小,较好地解释了这一晶格参数变化。 (3) Ti(He)体系研究。首次将SAS技术应用于含氦钛膜Ti(He)体系研究,获得了不同氦含量钛膜在不同温度处理下其氦泡状态。研究表明：制备的Ti00、Ti0.5、Ti1.0、Ti15和Ti60Mo60五种薄膜中的含氦量,随着氦流量比例的增加而增多。SAXS分析表明,He的引入显著增加SAXS强度并产生各向异性散射图案,这是由于沉淀析出和Ti基体的基面出现的胶囊状的空隙所致。随着保温温度升高,氦泡随之明显长大,TEM观察验证了SAXS分析结果。不同He/Ar比气氛Ti膜的原位温度SAXS分析表明,室温下SAXS曲线变化明显；而随着退火温度的升高,SAS曲线均趋于平滑。对几个散射矢量段的强度进行分析表明：1)SAS信号强度随工作气体中He含量的增加而增强,说明氦埋入越多；2)随温度升高,低q区(25-31nm)的散射信号增强,表明温度处理加速了氦泡的生长。不同离线温度处理试样的SAXS分析表明,氦泡长大、破灭与其热脱附谱中的热脱附温度是一致的；在脱附温度区,氦泡体积份额明显减少,其平均尺寸也会受到一定的影响。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TL341
【图文】：
第1章绪论 类散射体广泛存在于各种溶胶、大分子溶液、凝胶、超细粉末、催化剂中，各种材料和产品中也常以微孔、位错、析出相、氦泡等形式存在。它们同周围的介质或密度不同、或成分有异，使得电子密度或中子散射长度密度在一定度上表现出差异。与长周期结构的体散射不同，大尺度颗粒在空间分布上无长程有序，相一体系中的尺寸和形状也是存在差异。其散射既非晶体的布拉格射，也非无定性体的杂乱散射。在入射射线的作用下，颗粒中的每个电子或核都成为散射源，在原光束方向所有散射波相干叠加，在某种特定条件下给出衍射环或取向花样。小角中子散射用于研究氦泡最早可以追溯到1990，QIANG-LI[47]等人用SANS技术研宄了 Ni中的氦泡结构，他们在室温将Ni中注入1200appm的氦，并且在高达1173 K温度退火下对试样退货处理。除了直接获得了如基体中的“小”泡沫和近晶界的“大”气泡的粒度分布、氦泡中的氦密度等常规信息外，他们通过衬度变化技术[48]获得了氦泡中的气压，即使在1173 K的极高温度（?70%溶化温度TJ退火，氦泡内压约3GPa，处于热平衡的过压状态。10'^ I~i ?~II 1~I~■ ■~I
第1章绪论 王海峰等[191研宄了含量He从0.004到0.300不等的l#化铁膜，分析了它们在1300K以下的热脱附谱（见图1.3)，认为这个温区的四个热脱附峰分别对应于跨表面氦泡、近表面氦、体内氦泡和氦团簇；进一步分析温度和脱附量与总氦量关系发现，高温不利于固氦。程贵钧[92]用热脱附谱法研究寿期内氖(l#)化铁膜中He的热脱附行为认为，四个热释峰对应于：近表面自由氦原子、晶格内自由氦原子、大尺寸缺陷处氦泡和晶粒内氦泡。时效过程中，早中期(3He/Ti<0.15)，^He原子绝大多数(>90%)以氦泡的形式存在于晶粒内；后期(^He/Ti>0.15), 在低温区(350K~550K)出现的新脱附峰说明氦泡网络开始逐渐形成。I\ ， 丨I
步分析发现氦泡的生长与时间服从tlz3线性增长关系，与错的i化物中氦泡类似（图1.5)。0：⑴ F 1—~I I I 111 "1 I—~rrqy 8 — -卜 — —5 6 - Zr TRlTtOE (REF. 4)-^ t :§ ^Ti TRITIDE —? (PRESENT WORK)“< "^As , 1 i I I I 1 I il 1_1_L_1 2 3 4 5 10 20 30 40 50AGING TIME (months)图1.5室温下TiTi.5中氦泡平均直径随时效时间的关系[u9](b)包埋法制备钛中氦行为的研究四川大学郑思孝教授团队[114; 1 isi较早采用氦离子注入方式开展了含氦铁膜的制备工作。他们对比注入前后AFM图谱发现，注入前存在几十至二三百纳米尺度的极不均匆晶粒；注入后使得晶粒长大，其大小随注入剂量递增、更为明显，离子注入后膜内纳米粒子的结晶度进一步提高，晶粒较注入前大。龙兴贵等[116]用RBS技术研究了注氦钛膜中氦的浓度分布、温度对固氦影响，发现室温下经210d后，氦的剂量保持达68%，其He/Ti原子比为52.6%; lOCTC下He的保持剂量是室温下的89.6%，He/Ti原子比为44%; 4001：下的保持剂量是室温的32.6%
本文编号：2800815
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TL341
【图文】：
第1章绪论 类散射体广泛存在于各种溶胶、大分子溶液、凝胶、超细粉末、催化剂中，各种材料和产品中也常以微孔、位错、析出相、氦泡等形式存在。它们同周围的介质或密度不同、或成分有异，使得电子密度或中子散射长度密度在一定度上表现出差异。与长周期结构的体散射不同，大尺度颗粒在空间分布上无长程有序，相一体系中的尺寸和形状也是存在差异。其散射既非晶体的布拉格射，也非无定性体的杂乱散射。在入射射线的作用下，颗粒中的每个电子或核都成为散射源，在原光束方向所有散射波相干叠加，在某种特定条件下给出衍射环或取向花样。小角中子散射用于研究氦泡最早可以追溯到1990，QIANG-LI[47]等人用SANS技术研宄了 Ni中的氦泡结构，他们在室温将Ni中注入1200appm的氦，并且在高达1173 K温度退火下对试样退货处理。除了直接获得了如基体中的“小”泡沫和近晶界的“大”气泡的粒度分布、氦泡中的氦密度等常规信息外，他们通过衬度变化技术[48]获得了氦泡中的气压，即使在1173 K的极高温度（?70%溶化温度TJ退火，氦泡内压约3GPa，处于热平衡的过压状态。10'^ I~i ?~II 1~I~■ ■~I
第1章绪论 王海峰等[191研宄了含量He从0.004到0.300不等的l#化铁膜，分析了它们在1300K以下的热脱附谱（见图1.3)，认为这个温区的四个热脱附峰分别对应于跨表面氦泡、近表面氦、体内氦泡和氦团簇；进一步分析温度和脱附量与总氦量关系发现，高温不利于固氦。程贵钧[92]用热脱附谱法研究寿期内氖(l#)化铁膜中He的热脱附行为认为，四个热释峰对应于：近表面自由氦原子、晶格内自由氦原子、大尺寸缺陷处氦泡和晶粒内氦泡。时效过程中，早中期(3He/Ti<0.15)，^He原子绝大多数(>90%)以氦泡的形式存在于晶粒内；后期(^He/Ti>0.15), 在低温区(350K~550K)出现的新脱附峰说明氦泡网络开始逐渐形成。I\ ， 丨I
步分析发现氦泡的生长与时间服从tlz3线性增长关系，与错的i化物中氦泡类似（图1.5)。0：⑴ F 1—~I I I 111 "1 I—~rrqy 8 — -卜 — —5 6 - Zr TRlTtOE (REF. 4)-^ t :§ ^Ti TRITIDE —? (PRESENT WORK)“< "^As , 1 i I I I 1 I il 1_1_L_1 2 3 4 5 10 20 30 40 50AGING TIME (months)图1.5室温下TiTi.5中氦泡平均直径随时效时间的关系[u9](b)包埋法制备钛中氦行为的研究四川大学郑思孝教授团队[114; 1 isi较早采用氦离子注入方式开展了含氦铁膜的制备工作。他们对比注入前后AFM图谱发现，注入前存在几十至二三百纳米尺度的极不均匆晶粒；注入后使得晶粒长大，其大小随注入剂量递增、更为明显，离子注入后膜内纳米粒子的结晶度进一步提高，晶粒较注入前大。龙兴贵等[116]用RBS技术研究了注氦钛膜中氦的浓度分布、温度对固氦影响，发现室温下经210d后，氦的剂量保持达68%，其He/Ti原子比为52.6%; lOCTC下He的保持剂量是室温下的89.6%，He/Ti原子比为44%; 4001：下的保持剂量是室温的32.6%
【参考文献】
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2 王佩璇;李玉璞;刘家瑞;倪然夫;;金属中氦的特性及不锈钢氦脆问楲[J];核科学与工程;1989年02期
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本文编号：2800815
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