离子辐照下高熵合金FeCoNiCrTix的微观结构演化行为

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高熵合金是近年发展的热门新型合金材料,因其独特的成分设计,使其具有优异的力学性能、耐高温、耐腐蚀以及抗辐照性能,是一类具有巨大应用潜力的核用结构候选材料。本文研究了高熵合金FeCoNiCr及FeCoNiCrTi0.2合金在He+及Fe+辐照下的微观结构演化行为,并对相关作用机理进行了探讨与分析。首先利用真空熔炼法制备了 FeCoNiCr和FeCoNiCrTi0.2合金,并利用XRD及TEM表征其结构和组成,发现FeCoNiCr样品为元素分布均匀的单相面心立方(Face-Centered Cubic,FCC)结构。而 FeCoNiCrTi0.2合金中则存在第二相,其基体为单相FCC相,第二相为L12结构的γ’相,γ’相的尺寸在60~80nm左右,结构与基体完全共格。此外,FeCoNiCrTi0.2合金中第二相的基本组成是原子百分比为3:1的Ni、Ti元素,Co元素在基体及第二相中的分布无明显差异。XRD结果表明:FeCoNiCr样品的晶格常数为3.5745 (?),FeCoNiCrTi0.2样品的晶格常数为 3.6061 (?)。其次在450℃条件下研究了能量为50 keV,辐照剂量为2×1016 ions/cm2的He+高温辐照对FeCoNiCr和FeCoNiCrTi0.2合金微观结构的影响。实验结果表明,He+高温辐照可导致合金晶体结构中产生大量的位错缺陷。FeCoNiCr的He泡尺寸为 3.25±0.21 nm,FeCoNiCrTi0.2 的 He 泡尺寸为 2.5 ± 0.47 nm,与 FeCoNiCr合金相比,经高温辐照后FeCoNiCrTi0.2合金样品中的He泡尺寸较小,说明其具有较强的抗He+辐照能力。对He+高温辐照的FeCoNiCrTi0.2合金样品进行原位退火处理,发现FeCoNiCrTi0.2合金样品中的He泡的尺寸随着保温时间的延长和退火温度的升高而增大,变化规律符合经验公式Rb=A×tn+R0,根据Arrhenius公式得出其He泡的有效粗化活化能为1.638 eV。接着在室温条件下研究了 Fe+辐照对FeCoNiCr样品结构稳定性的影响。Fe+的能量为 400keV,辐照剂量分别为 3.33×1015ions/cm2(8.6dpa),1×1016ions/cm2(28.7 dpa),3.33×1016 ions/cm2(86.3dpa)。实验结果表明:在辐照剂量为 3.33×1015 ions/cm2与1×1016 ions/cm2时,FeCoNiCr样品内部出现了大量的缺陷,缺陷堆积形成位错团簇,样品的结构并未发生明显的变化,证明了 FeCoNiCr样品有较好的抗辐照稳定性。在辐照剂量为3.33×1016ions/cm2时,在FeCoNiCr样品中发现了纳米晶。一方面是由于辐照诱导非晶化转变,根据辐照过程中的能量存储与耗散过程,样品最终发生纳米晶化转变,另一方面是由于非正常离子辐照引起具有周期性波状结构的波纹形成,由于应力效应,波峰区域成为相分离的有利位置,进而形成纳米晶。最后在室温条件下研究了在Fe+离子辐照对FeCoNiCrTi0.2样品结构稳定性的影响。Fe+的能量为400 keV,辐照剂量分别为3.33×1015 ions/cm2(8.56 dpa),3.33×1016 ions/cm2(85.6 dpa)。实验结果表明经过辐照剂量为 3.33×1015 ions/cm2的Fe+离子辐照后,在SAED图中并未观察到第二相的斑点,表明第二相向无序化转变,说明FeCoNiCrTi0.2样品的第二相发生早期溶解及无序化转变。在辐照剂量为3.33×1016ions/cm2时,第二相发生非晶转变,非晶后第二相体积变大,且样品表面出现大量鼓包。对其发生早期溶解及无序化转变、非晶化转变时的机制进行了解释,认为由碰撞级联引起的原子弹道混合导致沉淀物的无序化和溶解占主导机制。
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