杜晨曦等：铁基非晶合金的辐照性能 ·1375· 在晶化层形成氢泡，同时晶化层有氢泡和氢泡的关联 Fe,Zr在103K电子辐照下并没有发现，电子辐照只产 生长现象.主要是由于晶体生长会吸收H离子的能 生纳米尺寸的-Fe相n0] 量，并且晶体生长引起的晶界等缺陷会进一步捕获射 相对于热处理，电子辐照可有效地控制析出晶相 入的H离子，H离子结合空位的移动和聚集而形成氢 的尺寸.FessZr,B,非晶合金中析出相的尺寸在10~15 泡].而在晶相周围的非晶结构中没有产生氢泡，这 nm之间，随着辐照注量的增加，尺寸有所增大，当辐照 可能得益于非晶结构以及其高的H离子固溶度和扩 注量达到3.8×10cm2及以上时，尺寸的长大并不明 散速率[6] 显[].由于磁性能对材料的微观结构非常敏感，特别 经He离子辐照1.0×108~4.0×108cm2注量 是-Fe的晶粒尺寸在控制材料的磁性能方面非常重 后，fenB6Si,C2、Fenss Niss.s B6、Fe.5Nin.sBs、Feo.5 要，随着α-Fe的晶粒尺寸的减小，材料的软磁性能显 Nia.sBs、Fen Ni5Bs、（Fe7s Ni2s)nB、Fe54.6Ni6.4P.9 著提高[s-9] MnoCuo.,非晶合金表面都经历了发泡和层离两种腐 材料中的原子在电子辐照下由于电子冲击效应而 蚀方式.低注量率辐照时表面发泡，在离子射程处氨 产生动态位移，每个原子被迫扩散.电子辐照引起的 泡密度最大；高注量率辐照时表面层离.层离后继续 晶化与非晶相中的原子扩散和晶化析出相在电子辐照 注入He,层离面和残存面都可发泡，但层离面上泡径 下的稳定性密切相关，与温度也密切相关，而且晶化过 比残存面小很多，发泡临界气压与材料的屈服强度成 程对温度非常敏感.FeZr,B,非晶合金在7.5×109~ 正比.随着注量的增加，表面损伤的方式如发泡、层 8.3×10”cm2注量电子辐照下，在辐照温度大于110K 离、剥落是重复的，并且可能存在一个周期性的表面腐 时形成了有a-Fe和立方Fe,Zr相的纳米晶结构，而在 蚀趋势.腐蚀方式由辐照注量率决定，发泡临界注量 1O3K时辐照时只有纳米尺寸的a-Fe相m).FenNdas 与粒子能量和材料有关，发泡密度和大小随He离子 Ba5非晶合金在298K经最大注量1.8×102cm2电子 注量的增加而增加[68-] 辐照时形成了c-Fe、Nd,Fe4B和Fe,Nd,析出相，而在 氨离子轰击引起发泡和剥落等表面腐蚀是影响材 121K辐照时只有a-Fe析出相.并且在298K辐照后 料在反应堆中安全和服役寿命的一个关键因素，由于 的样品在121K辐照时Nd,Fe4B和Fe,Nd,析出相并 长周期的辐照和成本很高等原因，利用离子束模拟堆 内辐照效应来研究铁基非晶合金越来越受关注.铁基 不能保持其结构而转变为非晶相0] 非晶合金可以吸收辐射引起的混乱以及抗辐照损 另外，FeBo、Fezs Mo,.Bo、FesB2s在温度21K电子 伤2-川]，使得铁基非晶合金可以作为聚变堆中第一壁 辐照时电阻率也会增加，电阻率增加主要原因可能是 和空间反射材料的候选材料[61,4] 在样品中形成了空位型缺陷4] 电子辐照是改善铁基非晶合金结构和性能的有效 1.4铁基非晶合金电子辐照性能 通过热处理可以使铁基非晶中产生纳米晶，电子 方法，非晶晶化的机制有以下几个方面的影响因素： (1)非晶相自由能的增加：(2)通过辐照形成的缺陷附 辐照也可在非晶合金中诱发纳米晶的形成，而且这种 近原子组态的修正形成晶簇：(3)扩散增强[].需要 纳米结构通过热处理的方式不易实现，电子辐照是实 现材料结构变化的有效方法[5-.然而通过电子辐照 进一步研究电子辐照影响铁基非晶结构和性能的规 律和机理，从而实现对铁基非晶结构和性能的精确 实现非晶的晶化也是因材料而异的，在298K电子辐 控制 照时，Fes Zr,B,、Fe6Zr,B、Fes Zr,Bio、Fe6Zr,Bis、Fen Zr,Bo、fes2.zNd.Bo、Fen Nd.sBi&5、Fen Nd,.Bo、FeoCrn 2讨论 Ni,W4非晶中发生了晶化m-,而Fe4Nd,B4、Feo 综上所述，不同成分的铁基非晶合金在不同的辐 Bo、FeMo2B2o、Feso P13 C,非晶中却没有发生晶 照离子条件下其结构和性能的变化有差异，并且因辐 化[8-2,84-85] 照离子能量、注量以及温度的不同而呈现不同的结构 非晶发生晶化意味着材料的性能也发生变化，不 和性能.而且同一种成分的非晶合金在不同的辐照条 同成分的非晶合金其性能的变化也不同.例如，控制 件下也呈现不用的辐照效应，如FemB,非晶合金在中 非晶向晶体转变对获得软磁性能来说非常重要[]. 子、重离子和电子的辐照下呈现不同的结构和性能变 低电子辐照注量辐照后非晶向有序相转变，使Fe2Si4.8 化.镉照条件下铁基非晶合金结构和性能的变化总结 Bg2Nb,的饱和磁化强度增加了62%[].虽然通过热 见表1.辐照影响铁基非晶合金结构变化的机理也没 处理和电子辐照都可以使非晶发生晶化，但是通过热 有一致的认识，中子辐照使原子的重排更趋于无序化 处理和电子辐照产生的晶化相和晶化相的结构并不相 从而不容易发生晶化]：重离子辐照致使沿离子入射 同，例如，Fe-Zr-B非晶合金通过热处理获得的立方 路径高能量电子沉积诱发径向应力波导致局部原子重杜晨曦等: 铁基非晶合金的辐照性能 在晶化层形成氢泡,同时晶化层有氢泡和氢泡的关联 生长现象. 主要是由于晶体生长会吸收 H 离子的能 量,并且晶体生长引起的晶界等缺陷会进一步捕获射 入的 H 离子,H 离子结合空位的移动和聚集而形成氢 泡[55] . 而在晶相周围的非晶结构中没有产生氢泡,这 可能得益于非晶结构以及其高的 H 离子固溶度和扩 散速率[67] . 经 He 离子辐照 1郾 0 伊 10 18 ~ 4郾 0 伊 10 18 cm - 2 注量 后,Fe77 B16 Si 5 Cr2 、 Fe18郾 5 Ni 55郾 5 B26 、 Fe37郾 5 Ni 37郾 5 B25 、 Fe61郾 5 Ni 20郾 5 B18 、 Fe77 Ni 5 B18 、 ( Fe75 Ni 25 )80 B20 、 Fe54郾 6 Ni 36郾 4 P7郾 9 Mn0郾 4Cu0郾 5非晶合金表面都经历了发泡和层离两种腐 蚀方式. 低注量率辐照时表面发泡,在离子射程处氦 泡密度最大;高注量率辐照时表面层离. 层离后继续 注入 He,层离面和残存面都可发泡,但层离面上泡径 比残存面小很多,发泡临界气压与材料的屈服强度成 正比. 随着注量的增加,表面损伤的方式如发泡、层 离、剥落是重复的,并且可能存在一个周期性的表面腐 蚀趋势. 腐蚀方式由辐照注量率决定,发泡临界注量 与粒子能量和材料有关,发泡密度和大小随 He 离子 注量的增加而增加[68鄄鄄71] . 氦离子轰击引起发泡和剥落等表面腐蚀是影响材 料在反应堆中安全和服役寿命的一个关键因素,由于 长周期的辐照和成本很高等原因,利用离子束模拟堆 内辐照效应来研究铁基非晶合金越来越受关注. 铁基 非晶合金可以吸收辐射引起的混乱以及抗辐照损 伤[72鄄鄄73] ,使得铁基非晶合金可以作为聚变堆中第一壁 和空间反射材料的候选材料[61,74] . 1郾 4 铁基非晶合金电子辐照性能 通过热处理可以使铁基非晶中产生纳米晶,电子 辐照也可在非晶合金中诱发纳米晶的形成,而且这种 纳米结构通过热处理的方式不易实现,电子辐照是实 现材料结构变化的有效方法[75鄄鄄76] . 然而通过电子辐照 实现非晶的晶化也是因材料而异的,在 298 K 电子辐 照时,Fe88 Zr9 B3 、Fe86 Zr9 B5 、Fe81 Zr9 B10 、Fe76 Zr9 B15 、Fe71 Zr9B20 、Fe82郾 2Nd7郾 1B10 、Fe77Nd4郾 5B18郾 5 、Fe71Nd9B20 、Fe61Cr17 Ni 8W14 非晶中发生了晶化[77鄄鄄83] ,而 Fe44 Nd11 B44 、 Fe80 B20 、 Fe78 Mo2 B20 、 Fe80 P13 C7 非 晶 中 却 没 有 发 生 晶 化[81鄄鄄82, 84鄄鄄85] . 非晶发生晶化意味着材料的性能也发生变化,不 同成分的非晶合金其性能的变化也不同. 例如,控制 非晶向晶体转变对获得软磁性能来说非常重要[86] . 低电子辐照注量辐照后非晶向有序相转变,使 Fe72 Si 4郾 8 B19郾 2Nb4的饱和磁化强度增加了 62% [87] . 虽然通过热 处理和电子辐照都可以使非晶发生晶化,但是通过热 处理和电子辐照产生的晶化相和晶化相的结构并不相 同,例如,Fe鄄鄄 Zr鄄鄄 B 非晶合金通过热处理获得的立方 Fe2Zr 在 103 K 电子辐照下并没有发现,电子辐照只产 生纳米尺寸的 琢鄄鄄Fe 相[77,80] . 相对于热处理,电子辐照可有效地控制析出晶相 的尺寸. Fe88Zr9B3非晶合金中析出相的尺寸在 10 ~ 15 nm 之间,随着辐照注量的增加,尺寸有所增大,当辐照 注量达到 3郾 8 伊 10 23 cm 2及以上时,尺寸的长大并不明 显[77] . 由于磁性能对材料的微观结构非常敏感,特别 是 琢鄄鄄Fe 的晶粒尺寸在控制材料的磁性能方面非常重 要,随着 琢鄄鄄Fe 的晶粒尺寸的减小,材料的软磁性能显 著提高[88鄄鄄89] . 材料中的原子在电子辐照下由于电子冲击效应而 产生动态位移,每个原子被迫扩散. 电子辐照引起的 晶化与非晶相中的原子扩散和晶化析出相在电子辐照 下的稳定性密切相关,与温度也密切相关,而且晶化过 程对温度非常敏感. Fe88Zr9B3非晶合金在 7郾 5 伊 10 19 ~ 8郾 3 伊 10 20 cm 2注量电子辐照下,在辐照温度大于 110 K 时形成了有 琢鄄鄄Fe 和立方 Fe2Zr 相的纳米晶结构,而在 103 K 时辐照时只有纳米尺寸的 琢鄄鄄Fe 相[77] . Fe77Nd4郾 5 B18郾 5非晶合金在 298 K 经最大注量 1郾 8 伊 10 24 cm - 2电子 辐照时形成了 琢鄄鄄Fe、Nd2Fe14B 和 Fe17Nd2析出相,而在 121 K 辐照时只有 琢鄄鄄Fe 析出相. 并且在 298 K 辐照后 的样品在 121 K 辐照时 Nd2 Fe14 B 和 Fe17Nd2析出相并 不能保持其结构而转变为非晶相[90] . 另外,Fe80B20 、Fe78Mo2B20 、Fe75B25在温度 21 K 电子 辐照时电阻率也会增加,电阻率增加主要原因可能是 在样品中形成了空位型缺陷[84] . 电子辐照是改善铁基非晶合金结构和性能的有效 方法,非晶晶化的机制有以下几个方面的影响因素: (1)非晶相自由能的增加;(2)通过辐照形成的缺陷附 近原子组态的修正形成晶簇;(3)扩散增强[91] . 需要 进一步研究电子辐照影响铁基非晶结构和性能的规 律和机理,从而实现对铁基非晶结构和性能的精确 控制. 2 讨论 综上所述,不同成分的铁基非晶合金在不同的辐 照离子条件下其结构和性能的变化有差异,并且因辐 照离子能量、注量以及温度的不同而呈现不同的结构 和性能. 而且同一种成分的非晶合金在不同的辐照条 件下也呈现不用的辐照效应,如 Fe80B20非晶合金在中 子、重离子和电子的辐照下呈现不同的结构和性能变 化. 辐照条件下铁基非晶合金结构和性能的变化总结 见表 1. 辐照影响铁基非晶合金结构变化的机理也没 有一致的认识,中子辐照使原子的重排更趋于无序化 从而不容易发生晶化[17] ;重离子辐照致使沿离子入射 路径高能量电子沉积诱发径向应力波导致局部原子重 ·1375·