Ti_3AlC_2材料的氦离子辐照损伤研究

【摘要】：第四代裂变堆（Gen IV）和加速器驱动次临界系统（ADS）对燃料包壳材料、结构材料提出了以下要求：较好的热稳定性、韧性和强度，高的热导率以及耐腐蚀性能。典型的Mn+1AXn相材料（M为过渡金属元素；A为主族元素；X为C或N；n=1，2，3）Ti3AlC2因满足上述要求而被考虑为第四代反应堆和加速器驱动次临界系统的候选材料。反应堆材料中氦原子的存在会引起材料肿胀、蠕变、硬化以及材料导热性能的下降等。本论文研究了Ti3AlC2材料中氦效应问题。 本论文开展了不同温度（室温、300oC、500oC）和不同剂量（1.0×1016–1.0×1018cm-2）的500keV He2+离子辐照实验。针对氦离子的损伤效应和氦原子的掺杂效应两个方面，利用透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、正电子湮灭（PAS）、粉末X射线衍射仪（XRD）等多种表征手段对Ti3AlC2材料的结构变化和He气泡进行了研究，主要结论如下： 1.材料微结构随温度和辐照剂量的变化：室温下随着辐照剂量的增大，最强峰（104）的强度逐渐降低，可能是晶体结构无序化程度增加的结果；但是在最大辐照损伤下（52.5dpa）样品并没有发生晶态向非晶态的转变，说明了材料具有较好的结构稳定性。最低辐照剂量下（1.0×1016cm-2）样品中空位型缺陷浓度或尺寸较未辐照样品更小，这应该归因于离子辐照引起的退火效应；高剂量辐照样品（1.0×1018cm-2）和500oC辐照样品中大尺寸的空位型缺陷的形成，说明了空位型缺陷发生了迁移和聚集。 2. He气泡随温度和剂量的变化：室温辐照下，He气泡没有明显地长大，且在最大氦原子浓度处6.5×105appm（1.0×1018cm-2），He气泡发生相连但并没有导致大尺寸裂纹的出现；500oC辐照样品中He气泡的长大成扁平状，其长大过程可能受到Ti3AlC2层状结构的影响，并且扁平状He气泡的存在可能导致了材料表面的严重剥离。