选区激光熔化成形304L不锈钢氦泡长大与辐照硬化行为

采用350 keV He+离子束在300℃下对沉积态和固溶态选区激光熔化成形(Selective laser melting,SLM)304L不锈钢进行辐照,辐照剂量为5×10^(16)ions/cm^(2),随后进行600℃保温1 h退火处理。利用透射电子显微镜(TEM)、正电子湮灭和纳米压痕仪研究氦泡的长大与材料硬化行为。系统对比了沉积态和固溶态两种状态的SLM 304L样品,结果表明:600℃退火处理时,沉积态SLM 304L不锈钢表现出优异的抗氦泡粗化能力,主要是由于沉积态样品中高密度位错和纳米析出物-基体界面等作为缺陷阱,有效抑制氦泡生长。此外,沉积态样品比固溶态样品具有更高的抗辐照硬化性能,退火处理后两者的硬化率分别为19%和51%。Orowan模型的计算表明,氦泡粗化程度的差异是造成两种状态下SLM 304L不锈钢硬化率不同的主要原因。

氦离子辐照下6061-Al合金中的氦泡行为研究

通过室温下的He离子辐照来研究核级6061-Al合金中氦泡的演变行为,辐照剂量为2×10^(15)cm^(-2)、1×10^(16)cm^(-2)、1×10^(17)cm^(-2)和2×10^(17)cm^(-2),通过扫描电镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)来表征分析辐照后铝合金表面的损伤情况,并通过透射电镜(TEM)表征辐照产生的氦泡等微观缺陷。结果表明,辐照后铝合金产生了表面损伤,表面起泡程度和粗糙度随着He辐照剂量的增加而明显增大。初步计算表明,入射的He大部分都用于形成表面起泡,只有少数分布在基体内形成均匀的氦泡。随着辐照剂量的增加,基体内氦泡的尺寸先保持不变,然后显著增加,而氦泡密度则先增加后降低。另外,还观察到氦泡在析出物和晶界上发生了偏向性聚集和长大。本工作对深入认识铝合金在研究堆内面临的宏观力学性能退化以及可能的辐照失效行为具有重要意义。

含氦泡辐照老化材料层裂损伤计算方法分析

辐照条件下,一些材料内部产生大量的氦泡等微缺陷,氦泡的大小和数密度随着辐照年限的增长而增长。氦泡分布特征的变化不仅影响材料本身的物理、力学性质,而且直接影响材料层裂损伤演化后期材料破坏颗粒度的分布特征。延性材料的层裂损伤演化过程一般包括孔洞的成核、增长和汇合,但因已有孔洞对新成核孔洞存在抑制作用,当初始孔洞数密度达到一定临界值时,材料内部没有新的孔洞成核,因此,层裂损伤的计算可以不考虑新孔洞成核的影响。本文中基于损伤早期演化的特征,给出了这一临界值的计算方法,并进一步探讨了含氦泡辐照老化钚材料层裂损伤的计算方法。同时,在完善孔洞增长(void growth,VG)层裂损伤模型中参数的确定方法的基础上,借助含氦泡常规铝材料的层裂实验结果,对此问题进行了定性的分析:在氦泡尺寸变化不大的情况下,当氦泡浓度低于临界氦泡浓度时,需要考虑初始氦泡以及新增孔洞的综合影响;反之,可以采用简单的层裂损伤模型,不需要计算孔洞成核,但由于增长孔洞之间的相互影响,损伤模型的初始损伤参数需要重新确定。

金属材料中氦的扩散与氦泡的形核生长研究

简述了金属材料中氦聚集行为的研究概况 ,特别是本课题组近年来对奥氏体不锈钢中氦扩散及氦泡形核生长机制的研究结果 ,并提出了这个领域有待解决的问题 .

钛中氦泡融合的分子动力学模拟

本文采用分子动力学方法模拟了金属钛中氦泡的融合,分析了氦泡融合对金属微结构的影响,对比了氦泡在金属块体内部与接近金属表面处融合的异同。研究表明:在金属块体内部,两氦泡的融合会在其周围诱发很多缺陷且范围逐渐扩大;直径均为1.77nm的两氦泡的融合会在二者周围形成位错环,位错环内金属原子的排列与基底的一致;两氦泡发生融合后由哑铃状向椭球形演化。在接近金属表面处,由氦泡融合诱发的缺陷易于向金属表面移动,氦泡周围的金属易于向晶体结构恢复;两氦泡发生融合后由哑铃状向半球形演化。

含氦泡金属铝层裂响应的数值分析

因自辐照效应的影响,一些材料内部会产生大量的氦泡,关注这些氦泡对材料力学性能的影响是目前损伤破坏研究中的重要问题之一。结合相关文献的实验结果,采用耦合材料初始损伤、孔洞尺寸及惯性影响的损伤模型,对该问题进行了数值分析。结果显示:氦泡的内压及材料变形中温度的变化对损伤发展的影响很小;材料的初始损伤越大,材料内部应力减小得越快,损伤增长得越慢;因惯性的影响,初始氦泡越大,损伤增长相对较慢。因此,分析含氦泡材料的层裂损伤问题需要重点关注材料初始氦泡大小、初始损伤以及损伤演化过程中惯性的影响。

钚中氦泡生长模型

239Pu核自发衰变产生的氦原子在材料中聚集形成氦泡，氦泡生长是钚材料老化的重要因素之一．通过分子动力学模拟，发现钚核白发衰变引起的原子级联碰撞过程可导致影响区域内的氦泡散裂，对氦泡生长的影响不可忽略，这是传统速率方程理论不能很好描述钚中氦泡生长数据的一个重要原因．通过改进Schaldach．Wolfer速率方程模型，并选取适当的级联碰撞影响因子，得到与实验数据较好符合的理论结果，最后预测了100年内室温储存的钚中氦泡生长行为．

高应变率拉伸下纯铝中氦泡长大的动力学研究

分析了高应变率加载下纯铝中氦泡长大的动力学过程,给出了含内压氦泡长大的动力学方程,并且分别研究了氦泡内压、基体材料惯性、粘性、表面张力以及基体环境温度对初始半径为1 nm氦泡长大的影响。研究结果表明:(1)初始内压可以促使氦泡快速长大,当氦泡直径超过1μm时,内压对氦泡长大的影响可以忽略不计。(2)表面张力在氦泡整个长大过程中的影响都很小。(3)材料惯性对氦泡长大起抑制作用,并且随着氦泡半径的增长,抑制效应越来越明显。(4)在所有因素中,温度对氦泡长大的影响最为明显,温度升高,材料的粘性降低,氦泡的内压增加,促使氦泡加速长大。

高温下He^＋辐照316L不锈钢时氦泡的形态及氦的俘获

用ＴＥＭ观察６００℃下氦离子辐照３１６Ｌ不锈钢中氦泡的形态及分布，发现氦浓度比较低时，氦泡优先在位错线上形成；随着氦浓度的增大，氦泡在基体中均匀分布．在晶粒内及品界处，氦泡都呈多面体形状，观察的晶界处不存在氦泡的优先生长现象．根据定量测得的氦泡直径和数密度的值，按“流体模型”描述的状态方程，计算处于可见氦泡中的氦浓度的深度分布，发现处于可见氦泡中的氦浓度分布相对于注入的氦浓度（ＴＲＩＭ计算）分布向表面方向发生位移．注入的氦基本上都处于可见氦泡之中．

Pu-Ga合金中氦泡聚集行为的分子动力学模拟

在钚(Pu)材料中加入少量其他金属元素,如铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)、铈(Ce)等,能实现Pu合金材料在室温条件下稳定。本文采用分子动力学(MD)方法及修正的嵌入原子势(MEAM),在300K下对Pu-Ga合金中的氦泡聚集行为进行了模拟,合金中Ga的含量(原子分数)分别为0%、2%和5%。通过计算和分析,得到不同Ga含量下,随氦原子数目增长Pu-Ga合金中氦泡半径和压强的变化趋势,以及由氦泡引起的体积膨胀,研究结果对于理解钚自辐照过程中的氦效应的内在机制具有一定的参考价值。

氦泡铝的层裂特性实验研究

含氦泡材料的动态断裂性能是多个研究领域关注的重点。采用平板冲击实验技术,对含有氦泡、硼等杂质的铝材料进行了层裂实验研究,由双光源混频系统分别测量了纯铝、掺硼铝以及两种氦浓度的含氦泡铝样品的自由面速度,对比分析了不同杂质影响下铝材料的层裂强度及其差异。实验显示:纯铝的层裂强度为1.28 GPa,引入硼杂质使铝的层裂强度显著降低,降低幅度接近50%;中子辐照掺硼铝引入氦泡后,对铝的层裂性能没有造成进一步影响,说明采用中子辐照掺硼铝方法制备含氦泡铝时,氦泡效应不显著,即氦泡对材料的动态断裂性能影响有限。此外,根据实验测量结果,简要讨论了硼和氦泡等对铝的Hugoniot弹性极限的影响。

金属表面下氦泡融合与释放研究

采用分子动力学方法研究了钛金属表面下不同深度处氦泡的行为,分析了氦泡融合与释放的竞争,对比了不同深度处氦泡的释放对金属的影响.结果表明:在接近金属表面处,氦泡很难通过融合无限长大,当达到临界尺寸后,氦泡将会释放而不再与邻近的氦泡发生融合;植入深度对氦泡的融合有一定的影响,深度越大,越有利于形成具有较高氦密度的大氦泡;较深处氦泡的释放会在金属表面形成较大的突起和表面针孔.实验中观察到的不同尺寸的表面孔,其部分原因来自于金属表面下不同深度处氦泡的释放.

充氚不锈钢中氦泡长大行为的加热效应

以室温贮存经历的充氚不锈钢试样为研究对象,计算了充氚不锈钢中氚、氦浓度的深度分布,利用透射电镜观察了充氚不锈钢在加热过程中氦泡的演化行为。结果表明:在氚压0.131MPa、780℃充氚8h后,不锈钢中氚在深度方向分布均匀,平均浓度为110μL/L;在空气室温环境下放置6a后,不锈钢中氚衰变的氦浓度在深度方向分布均匀,平均浓度为60μL/L;对充氚不锈钢加热处理后,在550℃/1h时效即可观察到氦泡;在950℃/1h和1050℃/1h时效时,氦泡明显长大,大的可达100nm,小的可达30nm,在晶界、晶内和位错处均可见氦泡。

金属中氦泡对背散射分析能谱的影响

分别从理论和实验上研究了钛镆中氦泡演化对离子束背散射能谱(RBS)的影响。理论分析表明能谱的展宽除了受材料的能量阻止和多重散射效果及实验系统特性的影响外,氦泡也是一个重要的影响因素。理论上,当由离子束分析给出氦泡占材料的体积分数及氦泡引起的能散时,可计算出氦泡的尺寸和密度。实验结果显示了含氦钛镆RBS谱后沿随着氦浓度和退火温度的升高逐渐展宽,表明随着氦泡尺寸和浓度的变大,离子束分析能谱也不断展宽。这使在考虑了材料中氦泡的影响后,离子束分析能真实地反映材料的性质,同时也可从离子束分析得出材料中氦泡的演化信息。

注入氦不锈钢中氦泡热形核及长大研究

本文利用透射电镜观察了HR-2及SS321不锈钢注入He^+并在T<1023K不同温度退火后的He泡结构,发现T=0.45T_m是一个转变点,当0.3T_m<T<0.45T_m时,主要是He泡继续形核过程;T>0.45T_m时,He泡主要通过迁移和合并而长大,长大激活能的实验值分别为0.41eV和0.31eV,实验结果表明,HR-2钢中He泡数密度在整个测量温区内均大于SS321钢,并且材料迅速肿胀的开始温度也高于SS321钢。

Ti及Ti合金中氦泡形貌的透射电镜研究

利用磁控溅射方法在Ti、TiZr和TiMo合金膜中引入氦并进行热处理后，用透射电镜观察膜材中的氦泡。所观察到的氦泡可为多面体形或球体形，或多数为球形化的多面体形。在800℃热处理后的Ti和TiZr合金中均观察到规则的六边形和八边形氦泡，对应基体材料单晶平衡外形多面体的投影。720℃热处理40rain后，TiZr合金膜中的氦泡比同样温度热处理130min后的接近球形。在600～650℃热处理30～60min后．合金中的氦泡比纯Ti中的氦泡更接近球形，生长受到的阻碍更大。除热处理温度、时间和合金成分外，晶界和其他氦泡也会影响氦泡形貌。在三叉晶界处的氦泡比晶界处的氦泡圆滑。氦泡在与其他氦泡邻近的部分会变得圆滑，促使自身向对方运动，促进氦泡的合并、长大。

基于氦泡与位错密度演化的老化δ-Pu静力学本构模型

δ-Pu材料由于钚元素a衰变发生自辐照老化，随着老化时间增加，材料微结构和宏观力学性质发生变化．氦泡作为自辐照的主要产物，通过阻碍位错运动实现对δ-Pu力学性质的影响．文中首先通过钚材料级联衰变规律建立氦泡体积分数与老化时间的关系，然后将氦泡对位错运动临界剪切应力的影响和氦泡长大规律引入本构方程，获得基于位错密度演化的δ-Pu静力学本构方程组．拟合实验数据得到本构模型参数．最后，通过模型计算获得不同老化时间下δ-Pu的应力应变关系．

金属氚化物中氦泡生长显微机制研究现状与发展趋势

氚是核聚变反应的关键核燃料,金属氚化物是国防领域及核聚变能源领域中的重要功能材料。氚衰变产生的氦原子及其演化过程严重影响金属氚化物的宏观性能,氦泡的形成与驻留又会影响金属氚化物的贮氚性能,金属氚化物中氦泡生长机制的研究是备受关注的重要科学问题。受限于氚的放射性和缺乏对氚与氦等轻元素原子的显微分析技术,氦泡生长模型的研究长期处于唯象理论阶段。近年来,随着电子显微分析技术的进步,提出了更加准确分析氦泡信息的新技术,氦泡生长显微机制研究取得了新的突破。本文将首先简要介绍金属氚化物中氦泡生长机制的主要理论与成果,然后介绍电子显微分析技术的发展及研究成果,最后针对氦泡生长显微机制的研究趋势做出展望。

冲击加载下金属铝中氦泡演化行为的相场模拟

氦泡等缺陷对金属材料动态强度的影响一直是动态强度研究关注的重点。将相场方法引入冲击加载下氦泡演化行为研究中,通过与晶体塑性理论耦合,建立了可描述冲击下氦泡早期演化行为的介观模拟技术。应用该方法,针对含氦泡的金属铝材料,从介观尺度对氦泡的演化行为及其对位错集体演化行为的影响进行了研究。结果表明:氦泡结构的非均匀性导致局域应力集中和塑性变形集中,局域塑性变形集中会导致沿冲击波传播方向发射稀疏波;从能量守恒角度上看,在材料变形过程中氦泡生长与塑性变形呈竞争关系,塑性耗散的快慢直接影响氦泡的生长速率,使其发生改变。研究结果可为解读含氦泡材料的宏观屈服强度和层裂行为提供理论支撑。

纯铝中氦泡分布特点的研究

将工业纯铝抛光后进行He离子注入,注入剂量为3×1020 m-2,注入能量为500keV。利用SRIM软件模拟预测得离子注入后He原子在距表面1.8μm处浓度最高。将He离子注入样品,在190℃时效192h,促进氦泡的形成和长大,用透射电子显微镜观测样品深度方向上氦泡的分布。结果显示,距表面约1.8μm处氦泡密度最大,说明He原子浓度最高,与SRIM软件模拟预测结果一致。同时发现,晶界处氦泡的尺寸较晶粒内的大,说明晶界有利于氦泡的形成和长大;晶界两侧不同晶粒内氦泡尺寸有较大差异,可能是因为晶粒取向不同造成晶粒中氦泡的形核长大过程不同,说明晶粒取向对氦泡的合并长大行为可能有显著影响。