非晶Al-Nb-Ti-Zr薄膜在氦离子辐照下的结构与力学性能退化

AlNbTiZr高熵合金薄膜经氦离子辐照后，微观结构演变与力学性能变化呈现剂量依赖性：低剂量（5×10^16 ions/cm2）辐照导致薄膜软化，高剂量（2×10^17 ions/cm2）则诱发结晶相变和纳米析出，协同实现硬度提升；辐照缺陷（氦气泡）尺寸与密度随剂量增加先增大后降低，肿胀率控制在0.63%-0.95%之间，展现出优异的抗辐照肿胀性能。

　　

作者：狄晓、田志波、李慧、唐丽明、李艳辉、齐伟、曹志强、蒋莉

大连理工大学材料科学与工程学院，中国大连 116024

摘要

在核燃料包壳上沉积薄膜是开发耐事故燃料、提高裂变反应堆安全性的关键方法。本研究采用磁控溅射技术制备了AlNbTiZr非晶薄膜，并将其暴露在50 keV的He离子辐照下，辐照剂量分别为5 × 10¹⁶、1 × 10¹⁷和2 × 10¹⁷离子/cm²。微观结构分析表明，当辐照剂量达到2 × 10¹⁷离子/cm²时，非晶AlNbTiZr薄膜开始出现结晶趋势，这一现象归因于Al与其他元素（Nb、Ti、Zr）之间的自由体积差异较大以及焓值差异显著，这些因素促进了纳米晶的形成。进一步分析了AlNbTiZr薄膜的结构演变与其力学性能之间的关系。在5 × 10¹⁶和1 × 10¹⁷离子/cm²的辐照剂量下，薄膜表现出软化现象；而当辐照剂量增加到2 × 10¹⁷离子/cm²时，薄膜则呈现硬化趋势。这种转变是由于高剂量辐照赋予了原子重新排列的能量，从而部分抵消了软化效应。同时，过程中形成的纳米晶起到了分散强化的作用，这两种效应共同提升了薄膜的纳米硬度。随着辐照剂量的增加，薄膜中He气泡的平均尺寸从1.67 nm增大到2.62 nm，其数密度从2.62 × 10²⁴ m^-3减少到1.01 × 10²⁴ m^-3，膨胀率也从0.63 %上升到0.95 %，显示出良好的抗辐照膨胀性能。

引言

核能被认为是一种安全、高效且经济的大型能源，具有巨大的发展潜力[1]。然而，2011年福岛事故后，其安全性和可靠性受到了质疑。燃料包壳的内壁会受到燃料组件的辐射和裂变气体的压力；外壁则受到冷却剂的侵蚀和腐蚀。核燃料棒包壳是反应堆中最关键且最容易发生故障的部件之一。基于Zr的合金因其低热中子吸收截面、在正常运行条件下的优异耐腐蚀性能以及在中子辐照下的良好力学性能而被广泛用作轻水反应堆的燃料包壳材料。然而，在失冷事故条件下，基于Zr的合金容易加速降解，与高温蒸汽发生反应并产生严重的Zr-水反应，释放大量衰变热，可能导致氢气爆炸和堆芯熔毁。涉及基于Zr的合金包壳的严重核事故促使了耐事故燃料（ATF）概念的发展，旨在提高燃料在正常运行、运行瞬变和潜在事故情景下的安全性[2]。 在燃料包壳表面沉积保护膜是开发ATF的一种有前景的策略[3][4][5][6]。2004年提出了一种由五种主要元素组成的高熵合金（HEA）体系[7][8]，多主元素的高混合熵有助于形成稳定的结构并提升抗辐照性能。由于HEA材料的优异综合性能，它们在极端服役环境（如核反应堆）中展现出巨大潜力。Pu等人[9]制备了超细纳米晶Al_1.5CoCrFeNi HEA薄膜，在300 K下经50 keV He离子辐照（剂量为1 × 10¹⁷离子/cm²

薄膜制备

薄膜制备

采用高纯度金属原料（≥ 99.99%）通过粉末冶金法制备了Al_0.5NbTiZr靶材。该靶材作为射频（RF）磁控溅射源，直径为75 mm，厚度为5 mm。薄膜沉积使用单晶Si基底（10 × 10 × 1 mm³）。沉积前，Si基底在无水乙醇中超声清洗三次，每次清洗时间为10分钟。

辐照前后的相组成和微观结构

图2展示了未辐照AlNbTiZr薄膜的TEM结果。图2(a)显示了样品的横截面TEM图像，清晰区分了薄膜与基底的结构。图2(b)的明场（BF）图像显示了无孔洞或裂纹等缺陷的致密微观结构。图2(c)放大了图2(b)所示区域，未观察到明显的晶格条纹。相应的选区电子衍射（SAED）图案表明...

结论

本研究中对AlNbTiZr非晶薄膜进行了50 keV He离子辐照，辐照剂量分别为5 × 10¹⁶离子/cm²、1 × 10¹⁷离子/cm²和2 × 10¹⁷离子/cm²。利用XRD、TEM和纳米压痕测试系统地研究了微观结构和力学性能的变化。主要结论如下：

• 高剂量He离子辐照（2 × 10¹⁷离子/cm²）导致AlNbTiZr非晶薄膜发生结晶，这源于自由体积的过剩...

数据声明

数据可应要求提供。

作者贡献声明

狄晓：撰写 – 原始稿、方法论、数据整理。 田志波：验证、方法论、研究。 李慧：软件、方法论、正式分析。 唐丽明：方法论、正式分析。 李艳辉：可视化、验证、概念化。 齐伟：可视化、正式分析、数据整理。 曹志强：撰写 – 审稿与编辑、软件、资源协调。 蒋莉：撰写 – 审稿与编辑、资源协调、项目管理和资金争取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（项目编号：52571033、52101036、52271024）、辽宁省（项目编号：2023JH2/101700280）以及航空科学基金（项目编号：2023Z056063001）在科技规划项目中的支持。同时感谢大连理工大学仪器分析中心的协助。