氦在铝表面辐照和积聚的团簇动力学模拟
发布时间：2021-09-23 18:09
我们利用团簇动力学模型（IRadMat）研究了keV-He离子辐照金属铝的缺陷动力学和氦的聚集行为.通过对不同俘获类型（团簇、晶界和位错）俘获He浓度的定量分析,我们发现大多数He原子被晶界吸收,这成为铝在低辐照通量下发生脆化的主要原因.随着辐照能量的增加,He滞留峰的位置会变得更深.然而,随着辐照通量的增加,He在体内的滞留量会变得更多,但滞留深度的峰值位置不变.我们的结果表明,晶界的影响在He的滞留分布以及铝的脆化行为中起着关键作用,这也有助于我们理解He在金属中的动力学行为和损伤的分布.
【文章来源】：原子与分子物理学报. 2020,37(02)北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
2000 keV能量的He离子注入铝样品后辐照通量与He峰浓度的关系
金属脆化现象是一个非常复杂的辐照损伤行为,可能由很多因素的贡献所导致,如He离子辐照过程中产生的氦泡在晶界和位错处的累积[45],或者在高能离子辐照下产生的大量孔洞和氦泡聚集所导致的脆化[38, 46]. 目前我们所研究的是低能、低剂量辐照环境,这种孔洞和氦泡导致材料发生脆化的机制的贡献是比较弱的. 在低剂量状态下产生He泡的几率比较低,He倾向于向晶界或位错处聚集,由晶界和位错导致的氦脆现象较为严重. 所以我们重点研究了晶界和位错的俘获效应对材料体内He积聚分布的影响. 事实上,He辐照铝之后,He在体内主要以三种形式存在:晶界吸收、位错吸收、团簇积聚(Hem, HemI, HemVn). 我们因此讨论了这三种形式的He在铝中的分布行为,如图2 所示. 首先利用IM3D模拟了5 keV的He离子辐照金属铝的初级损伤分布作为团簇动力学模型的输入项,对金属铝在 300 K温度下,进行辐照束流为 1×1018 m-2 s-1和通量为 5×1020 m-2 持续辐照. 我们选取10 μm大小的晶粒尺寸,设定1012 m-2大小的位错线密度,用于模拟材料体内的俘获项对He滞留的影响. 从图2可以看出,晶粒尺寸为10 μm的金属铝中,晶界俘获 He 原子的浓度远大于位错和团簇形式的He原子浓度. 需要注意的是,在我们的模拟中选择的辐照条件是低能(1～10 keV)、低通量的He离子注入,材料体内的产生的空位数量较少,空位对 He 原子的捕获作用不明显,所以导致材料体内的He团簇较少. 由于体内晶界的存在,He原子在晶界处大量聚集,会使He原子更多地束缚在材料表面附近,最终导致材料发生脆化. 已有研究表明,材料纳米化会增加面向等离子体材料W体内的He滞留[26],在我们的研究中也指出了在低辐照剂量下,晶界对铝材料体内He滞留具有很大的影响,在未来的工作中我们将进一步探索不同晶粒尺寸对He原子在铝中的滞留的行为以及材料抗辐照性能的影响.3.3 辐照环境对He辐照损伤的影响
明确了He在铝中的主要存在方式后,我们进一步研究了1～10 keV 能量范围内的He离子在相同辐照条件下的缺陷深度分布情况,指出辐照能量对He滞留行为的影响机制. IM3D程序中已经考虑入射离子的背散射效应,通过统计IM3D模拟的1～10 keV的He离子的实际注入He到铝中离子数和注入量的比例在77%～94%之间. 将IM3D得到的He离子和缺陷的初级损伤分布作为团簇动力学模型中的输入项,对金属铝进行500 s的持续辐照. 如图3(b)所示,我们给出了在温度为300 K 、注入量为 5 × 1020 m-2 的keV能量范围内的He离子辐照铝后的He滞留随深度的变化. 从图中可以看出,He的浓度在铝中分布的峰值会随着 He 离子的能量的增加而逐渐深入. 这说明不同能量离子的漂移速度直接决定了其沉积的深度分布. 所以,当材料表面受到keV能量的He离子轰击时,He倾向于在材料表面附近处积聚,引起材料的脆化. 随着时间的推移将会进一步聚集成大量的He泡,从而引起严重的表面损伤,诸如起泡、剥落以及肿胀等,且随着注入能量的升高,产生的损伤也越大,但损伤区一般在He深度分布区域附近.随着辐照时间的增加,材料所受到的辐照通量也随之逐渐上升,因此我们进一步模拟了在温度为300 K,能量为 5 keV 的不同辐照通量的 He 离子辐照铝的情况. 如图4 所示,铝中氦的浓度随深度分布的峰值几乎不随离子注入量的增加而变化,这说明特定能量离子的特定漂移速度决定了其分布范围. 但是随着 He 离子注入量的增大,伴随着材料体内各种缺陷及缺陷团簇的增加,更多的He原子积聚在一起使得He的浓度在低剂量下以线性的形式增加(按照图1可知)He离子在材料的表面处大量滞留,导致氦脆程度也会随之变得更加严重. 当注入量不够大时,材料体内的He浓度较小,He泡不明显,由内部He原子引起的表面损伤也不明显,但由于体内He的累积,已经对材料产生了轻微的肿胀和脆化,脆化现象由此出现. 也有研究指出,当He在材料体内快速累积达到某一临界浓度时,细小的He泡会彼此间随机的合并长大,在材料表面形成气泡,导致材料的表面损坏[1].
【参考文献】：
期刊论文
[1]α-Fe中氦泡阻碍位错移动硬化的分子动力学研究[J]. 刘星,时靖谊,彭蕾. 原子与分子物理学报. 2018(06)
[2]退火温度对钨中He相关缺陷演化影响的研究[J]. 卢晓波,刘莉,郑明秀,王康,张元元,邓爱红. 四川大学学报(自然科学版). 2018(03)
[3]CuCrZr合金质子辐照效应的模拟研究[J]. 李克用,马瑞,苟富均,谢泉,任蕾. 原子与分子物理学报. 2017(05)
[4]Effect of grain boundary on the mechanical behaviors of irradiated metals: a review[J]. Xia Zi Xiao,Hai Jian Chu,Hui Ling Duan. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2016(06)
[5]He离子辐照金属钨引入缺陷的微结构研究[J]. 王康,刘莉,邓爱红,王玲,王勇,卢晓波,龚敏. 四川大学学报(自然科学版). 2016(03)
[6]铝中氦原子行为的密度泛函研究[J]. 向鑫,陈长安,黄理,刘柯钊. 原子与分子物理学报. 2009(02)
[7]金属材料中氦的扩散与氦泡的形核生长研究[J]. 张崇宏,陈克勤,王引书,孙继光. 原子核物理评论. 2001(01)
博士论文
[1]铝和不锈钢中氦行为研究[D]. 陈长安.中国工程物理研究院北京研究生部 2003
本文编号：3406172
【文章来源】：原子与分子物理学报. 2020,37(02)北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
2000 keV能量的He离子注入铝样品后辐照通量与He峰浓度的关系
金属脆化现象是一个非常复杂的辐照损伤行为,可能由很多因素的贡献所导致,如He离子辐照过程中产生的氦泡在晶界和位错处的累积[45],或者在高能离子辐照下产生的大量孔洞和氦泡聚集所导致的脆化[38, 46]. 目前我们所研究的是低能、低剂量辐照环境,这种孔洞和氦泡导致材料发生脆化的机制的贡献是比较弱的. 在低剂量状态下产生He泡的几率比较低,He倾向于向晶界或位错处聚集,由晶界和位错导致的氦脆现象较为严重. 所以我们重点研究了晶界和位错的俘获效应对材料体内He积聚分布的影响. 事实上,He辐照铝之后,He在体内主要以三种形式存在:晶界吸收、位错吸收、团簇积聚(Hem, HemI, HemVn). 我们因此讨论了这三种形式的He在铝中的分布行为,如图2 所示. 首先利用IM3D模拟了5 keV的He离子辐照金属铝的初级损伤分布作为团簇动力学模型的输入项,对金属铝在 300 K温度下,进行辐照束流为 1×1018 m-2 s-1和通量为 5×1020 m-2 持续辐照. 我们选取10 μm大小的晶粒尺寸,设定1012 m-2大小的位错线密度,用于模拟材料体内的俘获项对He滞留的影响. 从图2可以看出,晶粒尺寸为10 μm的金属铝中,晶界俘获 He 原子的浓度远大于位错和团簇形式的He原子浓度. 需要注意的是,在我们的模拟中选择的辐照条件是低能(1～10 keV)、低通量的He离子注入,材料体内的产生的空位数量较少,空位对 He 原子的捕获作用不明显,所以导致材料体内的He团簇较少. 由于体内晶界的存在,He原子在晶界处大量聚集,会使He原子更多地束缚在材料表面附近,最终导致材料发生脆化. 已有研究表明,材料纳米化会增加面向等离子体材料W体内的He滞留[26],在我们的研究中也指出了在低辐照剂量下,晶界对铝材料体内He滞留具有很大的影响,在未来的工作中我们将进一步探索不同晶粒尺寸对He原子在铝中的滞留的行为以及材料抗辐照性能的影响.3.3 辐照环境对He辐照损伤的影响
明确了He在铝中的主要存在方式后,我们进一步研究了1～10 keV 能量范围内的He离子在相同辐照条件下的缺陷深度分布情况,指出辐照能量对He滞留行为的影响机制. IM3D程序中已经考虑入射离子的背散射效应,通过统计IM3D模拟的1～10 keV的He离子的实际注入He到铝中离子数和注入量的比例在77%～94%之间. 将IM3D得到的He离子和缺陷的初级损伤分布作为团簇动力学模型中的输入项,对金属铝进行500 s的持续辐照. 如图3(b)所示,我们给出了在温度为300 K 、注入量为 5 × 1020 m-2 的keV能量范围内的He离子辐照铝后的He滞留随深度的变化. 从图中可以看出,He的浓度在铝中分布的峰值会随着 He 离子的能量的增加而逐渐深入. 这说明不同能量离子的漂移速度直接决定了其沉积的深度分布. 所以,当材料表面受到keV能量的He离子轰击时,He倾向于在材料表面附近处积聚,引起材料的脆化. 随着时间的推移将会进一步聚集成大量的He泡,从而引起严重的表面损伤,诸如起泡、剥落以及肿胀等,且随着注入能量的升高,产生的损伤也越大,但损伤区一般在He深度分布区域附近.随着辐照时间的增加,材料所受到的辐照通量也随之逐渐上升,因此我们进一步模拟了在温度为300 K,能量为 5 keV 的不同辐照通量的 He 离子辐照铝的情况. 如图4 所示,铝中氦的浓度随深度分布的峰值几乎不随离子注入量的增加而变化,这说明特定能量离子的特定漂移速度决定了其分布范围. 但是随着 He 离子注入量的增大,伴随着材料体内各种缺陷及缺陷团簇的增加,更多的He原子积聚在一起使得He的浓度在低剂量下以线性的形式增加(按照图1可知)He离子在材料的表面处大量滞留,导致氦脆程度也会随之变得更加严重. 当注入量不够大时,材料体内的He浓度较小,He泡不明显,由内部He原子引起的表面损伤也不明显,但由于体内He的累积,已经对材料产生了轻微的肿胀和脆化,脆化现象由此出现. 也有研究指出,当He在材料体内快速累积达到某一临界浓度时,细小的He泡会彼此间随机的合并长大,在材料表面形成气泡,导致材料的表面损坏[1].
【参考文献】：
期刊论文
[1]α-Fe中氦泡阻碍位错移动硬化的分子动力学研究[J]. 刘星,时靖谊,彭蕾. 原子与分子物理学报. 2018(06)
[2]退火温度对钨中He相关缺陷演化影响的研究[J]. 卢晓波,刘莉,郑明秀,王康,张元元,邓爱红. 四川大学学报(自然科学版). 2018(03)
[3]CuCrZr合金质子辐照效应的模拟研究[J]. 李克用,马瑞,苟富均,谢泉,任蕾. 原子与分子物理学报. 2017(05)
[4]Effect of grain boundary on the mechanical behaviors of irradiated metals: a review[J]. Xia Zi Xiao,Hai Jian Chu,Hui Ling Duan. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2016(06)
[5]He离子辐照金属钨引入缺陷的微结构研究[J]. 王康,刘莉,邓爱红,王玲,王勇,卢晓波,龚敏. 四川大学学报(自然科学版). 2016(03)
[6]铝中氦原子行为的密度泛函研究[J]. 向鑫,陈长安,黄理,刘柯钊. 原子与分子物理学报. 2009(02)
[7]金属材料中氦的扩散与氦泡的形核生长研究[J]. 张崇宏,陈克勤,王引书,孙继光. 原子核物理评论. 2001(01)
博士论文
[1]铝和不锈钢中氦行为研究[D]. 陈长安.中国工程物理研究院北京研究生部 2003
本文编号：3406172
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