成分偏聚对合金中氦行为的影响

由于辐照或氚衰变而产生于金属中的氦，因不溶解于基体，始终处于扩散、团聚以及从金属中释放等不稳定状态；同时金属将产生缺陷、发生肿胀，从而降低力学性能及缩短材料服役寿命。在缺陷产生及氦泡长大过程中，金属中的一些合金化元素向新生界面（或缺陷）处扩散、偏聚。本工作研究金属元素在氦泡与基体界面处的偏聚及其对氦（泡）行为的影响。采用第一原理和分子动力学方法计算氦及金属原子在界面处的偏聚特性，如偏聚的能量条件和动力学特征；设计并制备高纯金属、二元及多元合金材料，向材料中引入氦并热处理形成氦泡，采用TEM及3DAP研究金属原子在氦泡界面的偏聚特征；根据TDS、TEM分析氦释放及氦泡长大统计规律，研究元素偏聚对氦释放行为及氦泡演变的影响；采用结构分析及纳米力学测试方法研究偏聚对材料结构及力学性能的影响。本工作将丰富和完善对含氦材料的认识，为设计第一堆壁材料、临氚（贮氚）材料提供新的依据和指导.

氚靶材料中氚衰变会产生的氦在材料中积累会导致材料力学性能下降，器件使用寿命缩短等。因此，高固氦能力是氚靶材料的关键性能指标。本项目以Ti合金为对象，旨在研究成分偏聚对氦行为的影响。第一原理方法研究了Ti中合金元素的偏聚趋势及Y固溶对氦行为影响；采用磁控溅射法制备了Ti和TiY薄膜，通过微观分析表征了Y在Ti膜中的存在形态及演变行为；采用热解吸方法研究了含氦合金膜中Y偏聚对氦扩散及释放的影响；对比Ti及Ti-Y合金膜中氦的存在状态和热演变行为，分析Y偏聚对氦泡演变的影响；Y偏聚对材料组织结构和力学性能的影响。具体成果如下：.（1）第一原理计算结果表明：hcp Ti中Y元素有强烈的表面偏聚趋势，而Zr、Mo、V、Ni元素没有明显偏聚趋势；固溶Y原子会引起Ti基体晶格膨胀、体系结合能降低；固溶Y原子有捕陷间隙氦和空位的作用，从而起到提高氦稳定性的作用；.（2）Ti6Y膜主要为微量Y固溶的α-Ti相基体，还有少量的单质Y和Y2O3相；Y在合金膜表面偏聚形成Y2O3层；合金膜内Y偏聚形成直径20-30nm的Y或Y2O3颗粒或棒状粒子弥散分布于基体中，晶界处居多；温度升高时，纳米颗粒粗化，纳米棒长度增加；.（3）Ti膜的氦热解析曲线上的四个解吸峰分别对应表层的氦、自由氦原子（包括间隙氦和替位氦）、HemVn团簇和氦泡；掺杂合金元素Y后，合金薄膜中间隙氦、替位氦及HemVn团簇的比例降低，使大部分氦以氦泡形式存在，提高了膜中的氦的稳定性；.（4）Ti膜和TiY合金膜中氦含量随热处理温度升高而增加；低温下大部分氦以原子或团簇的形式存在，低温下热处理时以向外扩散释放为主，高温下倾向于合并成泡留在材料中；与Ti膜相比，合金膜中氦泡分布在沉淀相与基体界面处，更细小、弥散化，证实了第二相粒子对氦的捕陷作用；.（5）纯Ti膜中引入氦以后其显微硬度和弹性模量均有所降低；由于Y的细晶强化和沉淀强化效应部分抵消了氦导致的力学性能下降，含氦合金膜的硬度和体模量随Y含量增加大幅度增加。.这些结果让我们对材料中的氦行为有了新的认识：首次详细研究了氦的热演变行为，并提出了不同温区内氦团簇演化机制；发现Y偏聚形成的弥散第二相粒子有提高氦稳定性的作用，为高固氦材料的发展提供新的方向。另外，本项目的研究成果发表了3篇国际期刊论文，申请并授权1项专利，培养博士研究生一名。