離子輻照對材料中擴散行為的長程影響及其機制研究.pdf

1、非線性科學的迅速發(fā)展使其成為眾多學科的前沿課題之一，孤子作為非線性科學的一個分支，在許多工程領域有著重要應用。晶體點陣中，由于非線性原子間作用力和點陣離散性之間的耦合，在一定條件下，使得晶格振動發(fā)生局域化，振動模式能量的傳輸呈現(xiàn)長程傳播而不衰減的孤子特性，這種振動模式稱為晶格振動孤子。可以預測這一效應對材料的諸多行為如擴散、相變等產生影響。
　　離子輻照損傷缺陷和晶格振動孤子效應都可能對擴散產生影響，其中輻照損傷缺陷只能在輻照損傷

2、區(qū)影響擴散行為，而晶格振動孤子效應可以長程傳播而能量不發(fā)生衰減，進而可能對輻照損傷區(qū)以外的擴散行為產生影響，據(jù)此本文設計了在遠離輻照損傷區(qū)引入擴散偶這一試驗方案，分離了輻照損傷缺陷與晶格振動孤子效應。本文研究了離子輻照誘發(fā)晶格振動孤子對材料間隙擴散、置換擴散和表面偏聚行為的長程作用，以及離子能量、束流密度、孤子傳播距離、晶界在晶格振動孤子效應分別與間隙擴散、置換擴散和表面偏聚耦合過程中起到的作用。
　　針對離子輻照誘發(fā)晶格振動孤子

3、與材料間隙擴散行為的長程耦合效應，設計了Fe-C在鐵素體—奧氏體雙相區(qū)的反應擴散過程。預制200mm厚度脫碳層的45鋼，在鐵素體/奧氏體雙相溫度區(qū)保溫，碳從基體向脫碳層中遷移，并誘發(fā)鐵素體向奧氏體的轉變。該過程由碳在遠離表面的奧氏體中擴散所決定，因而分離了輻照損傷效應與晶格振動孤子效應。用定量金相法分析奧氏體含量的深度分布，進而評價碳的擴散。在這一過程中對材料表面施加離子輻照，研究離子輻照對碳在鐵中間隙擴散的影響規(guī)律。試驗結果表明，預制

4、柱狀晶脫碳層的45鋼，在雙相區(qū)溫度保溫時，碳沿晶界優(yōu)先向表面擴散，使鐵素體柱狀晶晶界處碳含量升高，發(fā)生奧氏體轉變，奧氏體從晶界向晶內長大；在保溫過程中對表面施加氬離子輻照，會使碳向表面的擴散受到抑制；隨著離子能量的升高和離子束流密度的增大，碳的擴散受到更加顯著的抑制；碳的擴散發(fā)生在距輻照表面200mm深度內，由此可知離子輻照對輻照損傷區(qū)以外的碳擴散產生了抑制作用。預制等軸晶脫碳層的45鋼，表面100mm內碳的擴散受到抑制，而100-20

5、0mm內碳的擴散未受影響，說明晶界對離子輻照誘發(fā)長程效應的衰減作用。碳在奧氏體中擴散的微觀過程是碳在奧氏體晶格相鄰八面體間隙之間的遷移；離子輻照誘發(fā)晶格振動孤子，導致奧氏體中八面體間隙畸變，因此碳的擴散激活能升高，擴散系數(shù)降低，碳向表面的擴散受到抑制。
　　針對離子輻照誘發(fā)晶格振動孤子與材料置換擴散行為的長程耦合效應，設計了Cu-Ni互擴散體系。利用銅-鎳體系無限固溶的特性，在定向凝固單晶和柱狀晶銅，以及多晶銅片狀樣品正面，用磁控

6、濺射方法沉積鎳鍍層，擴散時在遠離樣品擴散偶的一端即樣品背面施加離子輻照，即分離了輻照損傷效應與晶格振動孤子效應。研究了樣品厚度、離子能量和離子束流密度對銅-鎳擴散行為的影響。試驗中使用輝光放電光譜方法分析了鎳的濃度分布；使用掃描電子顯微分析了基體和鍍層的組織結構；使用正電子壽命譜和慢正電子湮沒多普勒展寬譜方法分析了單晶銅經過離子輻照后未輻照面的缺陷狀態(tài)。試驗結果表明，在以單晶或柱狀晶銅為基體的銅-鎳擴散偶中，離子輻照對銅鎳之間的擴散產生

7、了長程的加速作用，隨著樣品厚度的降低和離子能量的升高，擴散系數(shù)有所增加；而離子束流密度的增大對擴散系數(shù)不產生顯著影響。離子輻照使鎳在單晶銅中的擴散激活能由1.01eV降為0.94eV，頻率因子由3.48×10-7cm2/s降為2.34×10-7cm2/s。在以柱晶銅為基體的擴散偶中，離子輻照對銅的再結晶行為產生了顯著的加速作用。在以多晶銅為基體擴散偶中，離子輻照對銅鎳界面的擴散無顯著影響，顯示晶界對長程效應的阻礙特性。正電子分析顯示，離

8、子輻照導致未輻照次表面空位類缺陷含量降低。提出了離子輻照長程加速置換擴散的機制：擴散的長程加速不是由輻照損傷缺陷擴散至銅鎳擴散偶位置所導致，而是由于離子輻照誘發(fā)的晶格振動孤子效應降低了擴散偶附近晶體的空位遷移能，使擴散系數(shù)增大。
　　銅-鎳擴散試驗中發(fā)現(xiàn)，銅元素在鎳鍍層表面發(fā)生偏聚，離子輻照導致表面偏聚效應顯著增強，偏聚深度達到約500nm，隨樣品厚度的降低，表面偏聚效應更加顯著。結合離子輻照對單晶銅缺陷狀態(tài)長程影響的試驗結果，提