多离子束辐照诱发二元合金元素分凝效应及抑制作用研究

Materials working at extreme radiation environment by energetic particles often suffers from radiation-induced segregation (RIS) effect due to local component sink or segregation, which changes mechanical property and phase stability of material, accelerating aging and leading failure. This is a critical factor of lifetime and security for reactors. In present research plan, based on our previous research experience on ion beam material modification and ion beam analysis, we will use tandam accelerator to construct multiple ion beam irradiation patterns to simulate a complex temperature-radiation field in real reactors, then research the RIS effect of several typical binary alloys both on structure and component which also have important applications. By summarizing influence of different radiation type, dose and temperature on component, structure and mechanical property of material, we will research the radiation damage machanism of RIS effect on alloys, especially pay close attention to the suppression of RIS by specific radiation manner. Following, we will explore how to evaluate the RIS damage of material in real reactor environment and how to improve the anti-irradiation property of reactor structural materials by RIS suppression.

工作在如反应堆等载能粒子辐照环境中的材料，其辐照诱发分凝效应（RIS）会使材料中元素成分发生再分布，在局部形成沉积或偏析，导致材料的力学性能、相稳定性发生变化，加速材料的老化和失效，对反应堆等装置的运行寿命和安全性的影响至关重要。本课题利用在离子束材料改性与离子束分析方面的前期研究经验，拟使用小型离子加速器构建多种离子辐照条件模拟反应堆中复杂的温度-辐照场，对几种具有典型结构和组分、并且具有重要应用价值的二元合金材料在该辐照场中的RIS效应进行研究。通过比较不同辐照方式、辐照剂量、辐照温度等因素对材料组织成分、力学性能的影响，研究RIS效应对二元合金材料的辐照损伤机理，尤其关注特定辐照条件对RIS效应的抑制作用，在此基础上进一步探索如何评估真实反应堆辐照环境对材料的RIS致辐照损伤，以及如何抑制RIS效应提高反应堆结构材料的抗辐照性能。

合金材料中合金元素的表面偏析现象对其多种表面性能如腐蚀、氧化、催化等有重要影响。在反应堆等环境中，由辐照所产生的各种缺陷和空位也有可能引发合金材料的表面偏析。本课题旨在通过基于加速器的多种条件离子束辐照，研究不同温度、不同种类、不同剂量的离子束辐照在典型二元合金中辐照诱发元素偏析（RIS）效应。.课题中，采用磁控溅射方法在单晶硅(111)衬底上制备了AuCu3薄膜，用2MeV He离子和1MeV Au离子对薄膜进行辐照，用卢瑟福背散射对He、Au离子辐照前后AuCu3薄膜近表面的成分变化进行了分析，对不同离子辐照导致的表面元素偏析行为进行了研究。实验结果表明，当2MeV He离子辐照时，随着辐照剂量增大，观察到样品近表面Au元素偏析的趋势；当1MeV Au离子辐照时，随着辐照剂量增大，观察到样品近表面Cu元素偏析的趋势，与He离子辐照相反。通过对He、Au离子在样品中产生的靶原子空位及其分布分析，发现靶原子空位浓度分布的梯度是导致两种不同表面元素偏析趋势的原因，空位扩散是其中的主要机制。.这一结果为研究复杂辐照场中材料的多因素综合辐照效应给予了启示。在复杂辐照场中可能同时存在多种辐照源，其协同辐照效应往往不能看成单一因素辐照效应的简单叠加。我们的研究表明，不同的辐照离子，如果其在材料中产生的空位浓度分布相似，则由空位浓度梯度诱发的元素偏析行为也相似，其共同辐照的结果表现为辐照诱发表面偏析效应增强；如果其在材料中产生的空位浓度不同，尤其如本课题实验所展示的，Au、He离子辐照后产生了相反的空位浓度分布，则其诱发的元素偏析行为将互相抵消，共同辐照的结果表现为辐照诱发表面偏析效应抑制。