離子輻照對(duì)材料中擴(kuò)散行為的長(zhǎng)程影響及其機(jī)制研究.pdf

1、非線性科學(xué)的迅速發(fā)展使其成為眾多學(xué)科的前沿課題之一，孤子作為非線性科學(xué)的一個(gè)分支，在許多工程領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。晶體點(diǎn)陣中，由于非線性原子間作用力和點(diǎn)陣離散性之間的耦合，在一定條件下，使得晶格振動(dòng)發(fā)生局域化，振動(dòng)模式能量的傳輸呈現(xiàn)長(zhǎng)程傳播而不衰減的孤子特性，這種振動(dòng)模式稱(chēng)為晶格振動(dòng)孤子?？梢灶A(yù)測(cè)這一效應(yīng)對(duì)材料的諸多行為如擴(kuò)散、相變等產(chǎn)生影響。
　　離子輻照損傷缺陷和晶格振動(dòng)孤子效應(yīng)都可能對(duì)擴(kuò)散產(chǎn)生影響，其中輻照損傷缺陷只能在輻照損傷

2、區(qū)影響擴(kuò)散行為，而晶格振動(dòng)孤子效應(yīng)可以長(zhǎng)程傳播而能量不發(fā)生衰減，進(jìn)而可能對(duì)輻照損傷區(qū)以外的擴(kuò)散行為產(chǎn)生影響，據(jù)此本文設(shè)計(jì)了在遠(yuǎn)離輻照損傷區(qū)引入擴(kuò)散偶這一試驗(yàn)方案，分離了輻照損傷缺陷與晶格振動(dòng)孤子效應(yīng)。本文研究了離子輻照誘發(fā)晶格振動(dòng)孤子對(duì)材料間隙擴(kuò)散、置換擴(kuò)散和表面偏聚行為的長(zhǎng)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(dòng)孤子效應(yīng)分別與間隙擴(kuò)散、置換擴(kuò)散和表面偏聚耦合過(guò)程中起到的作用。
　　針對(duì)離子輻照誘發(fā)晶格振動(dòng)孤子

3、與材料間隙擴(kuò)散行為的長(zhǎng)程耦合效應(yīng)，設(shè)計(jì)了Fe-C在鐵素體—奧氏體雙相區(qū)的反應(yīng)擴(kuò)散過(guò)程。預(yù)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(zhuǎn)變。該過(guò)程由碳在遠(yuǎn)離表面的奧氏體中擴(kuò)散所決定，因而分離了輻照損傷效應(yīng)與晶格振動(dòng)孤子效應(yīng)。用定量金相法分析奧氏體含量的深度分布，進(jìn)而評(píng)價(jià)碳的擴(kuò)散。在這一過(guò)程中對(duì)材料表面施加離子輻照，研究離子輻照對(duì)碳在鐵中間隙擴(kuò)散的影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明，預(yù)制

4、柱狀晶脫碳層的45鋼，在雙相區(qū)溫度保溫時(shí)，碳沿晶界優(yōu)先向表面擴(kuò)散，使鐵素體柱狀晶晶界處碳含量升高，發(fā)生奧氏體轉(zhuǎn)變，奧氏體從晶界向晶內(nèi)長(zhǎng)大；在保溫過(guò)程中對(duì)表面施加氬離子輻照，會(huì)使碳向表面的擴(kuò)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(kuò)散受到更加顯著的抑制；碳的擴(kuò)散發(fā)生在距輻照表面200mm深度內(nèi)，由此可知離子輻照對(duì)輻照損傷區(qū)以外的碳擴(kuò)散產(chǎn)生了抑制作用。預(yù)制等軸晶脫碳層的45鋼，表面100mm內(nèi)碳的擴(kuò)散受到抑制，而100-20

5、0mm內(nèi)碳的擴(kuò)散未受影響，說(shuō)明晶界對(duì)離子輻照誘發(fā)長(zhǎng)程效應(yīng)的衰減作用。碳在奧氏體中擴(kuò)散的微觀過(guò)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(dòng)孤子，導(dǎo)致奧氏體中八面體間隙畸變，因此碳的擴(kuò)散激活能升高，擴(kuò)散系數(shù)降低，碳向表面的擴(kuò)散受到抑制。
　　針對(duì)離子輻照誘發(fā)晶格振動(dòng)孤子與材料置換擴(kuò)散行為的長(zhǎng)程耦合效應(yīng)，設(shè)計(jì)了Cu-Ni互擴(kuò)散體系。利用銅-鎳體系無(wú)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(kuò)散時(shí)在遠(yuǎn)離樣品擴(kuò)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(yīng)與晶格振動(dòng)孤子效應(yīng)。研究了樣品厚度、離子能量和離子束流密度對(duì)銅-鎳擴(kuò)散行為的影響。試驗(yàn)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(jié)構(gòu)；使用正電子壽命譜和慢正電子湮沒(méi)多普勒展寬譜方法分析了單晶銅經(jīng)過(guò)離子輻照后未輻照面的缺陷狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在以單晶或柱狀晶銅為基體的銅-鎳擴(kuò)散偶中，離子輻照對(duì)銅鎳之間的擴(kuò)散產(chǎn)生

7、了長(zhǎng)程的加速作用，隨著樣品厚度的降低和離子能量的升高，擴(kuò)散系數(shù)有所增加；而離子束流密度的增大對(duì)擴(kuò)散系數(shù)不產(chǎn)生顯著影響。離子輻照使鎳在單晶銅中的擴(kuò)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(kuò)散偶中，離子輻照對(duì)銅的再結(jié)晶行為產(chǎn)生了顯著的加速作用。在以多晶銅為基體擴(kuò)散偶中，離子輻照對(duì)銅鎳界面的擴(kuò)散無(wú)顯著影響，顯示晶界對(duì)長(zhǎng)程效應(yīng)的阻礙特性。正電子分析顯示，離

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