Физика\ 2. Физика твердого тела

Д.ф-м.н. Мукашев К.М., д.ф-м.н. Умаров Ф.Ф., к.п.н. Шадинова К.С.

Казахский национальный педагогический университет им. Абая,

Казахстанско-Британский технический университет, Казахстан

РАДИАЦИОННАЯ ПОВРЕЖДАЕМОСТЬ СПЛАВОВ ТИТАНА КАК СЛЕДСТВИЕ ОБЛУЧЕНИЯ ЗАРЯЖЕННЫМИ ЧАСТИЦАМИ

Введение. Конструкционные материалы современных ядерных энергетических устройств и космических аппаратов обычно работают в чрезвычайно экстремальных условиях таких, как высокая температура, большие потоки ионизирующего излучения и механические нагрузки. Под действием таких факторов в структуре материалов возникают сложные образования, называемые дефектами. Само понятие дефект означает отклонение от идеальности, т.е. нарушение периодического расположения атомов в кристаллической структуре. Такие структурные нарушения могут иметь различные конфигурации и размеры, в том числе точечные, линейные, плоские и объемные в виде микропор. Из этого многообразия следует выделить радиационные дефекты, возникающие как следствие облучения материалов высокоэнергетическими ядерными частицами. Материалы, содержащие большую концентрацию радиационных дефектов, определенным образом меняют свои физико-механические свойства, особенно, прочность, объемные размеры, электропроводность. Они могут испытывать охрупчивание, распухание и ускоренную диффузию, а также фазово-структурные превращения. Исследования всех этих процессов и явлений имеют решающее значение в вопросах обеспечения безопасности энергетических установок. Но не все методы исследования способны обнаружить подобный клас структурных изменений. В этом отношении не последняя роль принадлежит методам позитронной спектроскопии.

В физике радиационных повреждений правильная постановка задачи и грамотный выбор объектов исследований имеют решающее значение в достижении поставленной цели, особенно если основным средством исследований является метод электронно-позитронной аннигиляции. По данным [1] наиболее изученными методом позитронной спектроскопии являются такие металлы, как Al, V, Fe, Ni, Cu, Zn, V, Nb, Mo, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Ta, W, Pt, Au и Pb. Считают, что они хорошо проявляют эффект захвата позитронов. Позиция исследователей в отношении такого важнейшего конструкционного металла, как титан, остается не выясненной, поскольку он вроде не проявляет эффекта захвата позитронов, стало быть, не может быть изучен этим методом. Правда, из каких соображений авторы работы [1] относят те или иные металлы к классу проявляющих или не проявляющих эффект захвата позитронов, остается не выясненными. В принципе, если удается сохранить - заморозить вакансионные дефекты, то большинство переходных металлов могут проявить эффект захвата, тем более, что этим замечательным качеством, по мнению авторов [1], обладает такой наиболее легкий металл, как Al.

На основании всестороннего анализа этих данных, был выработан следующий критерий отбора объектов исследований методами электронно-позитронной аннигиляции (ЭПА). Преимущества титана перед многими металлами общеизвестны: он является вполне доступным и перспективным конструкционным материалом, без особой сложности и затрат образовывает систему бинарных сплавов со многими другими элементами, обладает многими уникальными свойствами, которых невозможно найти в других металлах. В качестве второго компонента при изготовлении бинарных сплавов специально были выбраны именно те элементы, металлические свойства которых наиболее слабо выражены: In, Sn и Ge. Для исследования характера радиационной повреждаемости при одновременном установлении эффекта захвата позитронов были приготовлены сплавы на основе иодидного титана, содержащие 0; 1,2; 2,5; 3,3; и 4,1 ат. % Ge; 0; 1,2; 2,5; 4,3; 6,2 и 7,6 ат.% Sn и 0; 1,4; 2,9; 5,1 и 10,3 ат.% In. Концентрации второго компонента были выбраны так, чтобы все сплавы находились в области твердых растворов. По форме образцы имели вид диска диаметром 15 мм, толщиной 1 мм. Исходное состояние материалов достигалось отжигом при температуре 900^оС и вакууме 10^-7 торр. в течение 1 часа.

Методика эксперимента. Следует отметить, что использование ускорителей заряженных частиц для изучения радиационных эффектов в металлах и сплавах связано с тем, что время облучения в реакторе для получения заданного уровня повреждений может оказаться слишком длительным и не приемлемым. Данное обстоятельство, резко ограничивающее возможность оперативного изучения явлений, протекающих в облучаемых материалах, стимулировало поиск экспрессных исследовательских методик, в результате которого появилась идея об использовании пучков ускоренных частиц для создания в исследуемых образцах радиационных повреждений достаточной концентрации за приемлемое время. Ядерные частицы в результате облучения вступают с атомами материала в упругие и неупругие взаимодействия. Если энергия частиц выше некоторой пороговой, упругие взаимодействия приводят к смещению атомов матрицы из узлов кристаллической решетки и возникают простые пары Френкеля - вакансия и межузельный атом.

Если энергия частиц значительно превышает пороговую, в структуре материала возникают целые каскады смещений. Последние включают в себе как единичные вакансии и межузельные атомы, так и их комплексы в виде кластеров. В процессе облучения и после его окончания дефекты претерпевают последующие диффузионные перемещения и взаимные структурные превращения. Следствием этих процессов для вакансионных кластеров может быть образование вакансионных дислокационных петель или микропор (рис.1). Все зависит от интенсивности и температуры облучения, энергии и вида ядерной частицы, типа кристаллической структуры и других факторов. Именно дефекты этого класса являются потенциальными центрами захвата позитронов. Межузельные атомы и кластеры межузельного типа уходят в различные стоки или также могут объединяться в соответствующие комплексы, но как бы там ни было, они не могут служить центрами захвата позитронов [2].

Рис.1 Дислокационные петли (а) и вакансионные пористости (б) в облученном молибдене, полученные методом просвечивающей электронной микроскопии [3].

Конечная структура материала не в последнюю очередь определяется именно условиями облучения. Поскольку методы позитронной аннигиляции чувствительны в основном к дефектам вакансионного характера, то здесь ставилась задача сохранения в ходе облучения исследуемого материала дефектов именно этого типа. Как показали результаты предыдущих исследований [2], вакансионные дефекты становятся подвижными при температуре выше 100°С. Следовательно, при облучении необходимо обеспечить температуру образца не выше указанной, что в принципе является не сложной задачей. С учетом этих обстоятельств, облучение образцов альфа – частицами на изохронном ускорителе У-150 проводилось в воздушной атмосфере с водоохлаждаемым основанием с принудительным воздушным обдувом образца или парами жидкого азота. При интенсивности альфа-частиц (1,5-2)·10¹² см^-2с^-1 и энергии Е=50 МэВ, температура образца не превышала 60-70°С. Измерив среднее значение тока пучка I, можно определить дозу облучения в течение заданного времени t или время, необходимое для достижения требуемой дозы (5.10¹⁶см^-2) при данной величине тока пучка через образец:

где S - площадь образца.

Обсуждение результатов. Для интерпретации результатов исследований были использованы следующие аннигиляционные параметры: F - перераспределение вероятности аннигиляции позитронов между электронами проводимости и связанными электронами, а также его относительное приращение DF по отношению к исходному состоянию, извлекаемые в результате обработки спектра угловой корреляции аннигиляционного излучения [4]. При обсуждений результатов данные радиационных исследований будем сопоставлять с данными, полученными после пластической деформации этих же материалов на величину e =50%. Следует отметить, что облучение a-частицами с Е=50 МэВ приводит к значительной деформации формы спектра, существенно превышающей влияние пластической деформации достаточно высокой степени e = 50%. При анализе результатов исследования воздействия a-частиц на изучаемые объекты следует отметить общую тенденцию в характере изменения аннигиляционных параметров (рис. 2). Вероятность аннигиляции позитронов с электронами проводимости в результате облучения a-частицами во всех случаях значительно превышает таковую не только для исходного состояния сплавов, но и после воздействия сильной пластической деформации. И что очень важно, кроме того, сохраняется и характер изменения концентрационной зависимости этих параметров от сплава к сплаву. При этом те сплавы, которые обнаруживают аномально высокое возрастание аннигиляционного параметра в результате пластической деформации, проявляют эту склонность и после облучения a-частицами. Для некоторых сплавов эти изменения более чем вдвое превышают соответствующие показатели для деформированного состояния. Данное обстоятельство свидетельствует о том, что достигнутые при этом изменения в значениях аннигиляционного параметра не является предельным для метода ЭПА и указывает на то, насколько воздействие a-частиц на структурные изменения в металлах оказывается эффективнее, чем пластическая деформация.

Рис.2 Перераспределение вероятности аннигиляции позитронов в сплавах Ti-Ge (а), Ti-Sn (б) и Ti-In (в), имеющих различные состояния: 1 – отожженное; 2 – деформированное на e=50 %; 3–облученное a-частицами Е=50МэВ.

Устойчивость каждой системы сплавов к действию быстрых a-частиц определенным образом зависит от природы и концентрации легирующего элемента. Мерой устойчивости является относительное изменение параметра F, характеризующего перераспределение свободных электронов в местах локализации позитронов. Наибольшее изменение аннигиляционного параметра F в результате пластической деформации показали сплавы, содержащие 0,8 ат.% Ge; 1,2 и 7,6 ат.% Sn, а также 1,4 и 7,4 ат.% In. Именно эти сплавы обнаруживают аналогичный, но в значительно большей степени рост параметра в результате облучения a-частицами. Данное обстоятельство, вероятно, связано с тем, что пластическая деформация создает равномерно распределенные по объему нарушения кристаллической структуры, тогда как радиационные повреждения, возникающие в результате бомбардировки a-частицами, имеют максимальную плотность в непосредственной близости к поверхности образца в пределах пробега позитронов. Кроме того, возможно, что внедренные в металл в результате облучения ионы гелия, образуют такие связанные состояния с вакансионными комплексами, которые по эффективности захвата позитронов значительно превышают аналогичные показатели для простых вакансионных ловушек. Подобного рода факты могут свидетельствовать о том, что радиационные дефекты представляют для термолизованных позитронов более глубокие потенциальные ямы захвата, чем деформационные. Следовательно, можно полагать, что повреждаемость сплавов указанных составов по отношению к титану выше, чем других составов.

Важно отметить, что метод ЭПА дает возможность получить информацию, касающуюся не только общего уровня радиационной повреждаемости, определяемой концентрацией и размером дефектов, но и о характере изменений электронной плотности в этих повреждениях. Поэтому преимущественный рост DF_a по сравнению DF_e можно было объяснить образованием в сплавах дефектов с пониженной плотностью, благодаря чему они становятся высокоэффективными центрами захвата позитронов. В этом отношении легирование Ti индием в 1,4 ат.%, оловом в 7,4 ат.% и германием в 0,8 ат.% в значительной степени усиливает повреждаемость сплавов.

Об уровне концентрации радиационных дефектов в зависимости от содержания легирующих элементов можно судить и по изменению отношения DF_a/ DF_e, представленного на рис. 3. Видно, что облучение a-частицами по - разному влияет на характеристики позитронной аннигиляции в зависимости от типа сплава. Если для системы Ti - Ge отмечается достаточно резкое возрастание этого отношения уже при малых концентрациях Ge, то для сплавов Тi-Sn заметное увеличение начинается с 4 ат.% Sn, а для системы Ti-In отношение параметров практически не зависит от состава.

рис. 3 Концентрационные зависимости параметров аннигиляции для облученных a - частицами сплавов титана

Наблюдаемые закономерности могут свидетельствовать не только о соотношениях между концентрациями радиационных и деформационных дефектов, в каждом случае созданных при одинаковых условиях, но и о том, что устойчивость каждой системы к воздействию быстрых альфа - частиц определенным образом зависит от природы и концентрации легирующего элемента. Например, для сплава Ti – 3,1ат.% Ge превышение радиационного эффекта над деформационным составляет более чем 2,5 раза.

Увеличение концентрации легирующих элементов сопровождается постепенным повышением вероятности аннигиляции позитронов со свободными электронами, тогда как и пластическая деформация, и облучение a-частицами сопровождается не монотонными изменениями этих параметров, степень отклонения которых от исходных значений определенным образом зависит от типа и концентрации легирующих элементов. При этом на эти

процессы может оказывать влияние возможность инициирования решеточной неустойчивости. С этой точки зрения сплавы отмеченных составов, при которых наблюдаются аномально высокие изменения аннигиляционного параметра DF под воздействием мощных a - частиц, следует считать наименее устойчивыми. Поэтому, исходя из анализа полученных данных, при облучении a-частицами, можно сделать предположение, что облучение, как и деформация, может инициировать такие фазовые превращения, потенциал захвата позитронов которых гораздо больше, чем для простых дефектов типа вакансии и дислокации. Но радиационные явления, сопровождающие эти превращения, очевидно, представляют для термолизованных позитронов более глубокие потенциальные ямы захвата, чем те, которые сопутствуют полиморфным превращениям, инициированным деформацией.

Таким образом, совместное действие радиационных повреждений - вакансий, вакансионных комплексов, а также новых фазовых выделений, возникающих в результате облучения a-частицами высокой энергии, являются причиной аномально больших, в то же время не равномерных по концентрациям компонентов, значений наблюдаемых аннигиляционных параметров изученных сплавов титана, свидетельствующих о различной степени их повреждаемости. И если авторы известной работы [1] утверждали об отсутствии эффекта захвата позитронов дефектами в кристаллах Sn и In, то доказывать обратное здесь никто не собирается, но то, что легирование ими титана значительно усиливает эффективность радиационных дефектов в Ti к захвату позитронов и резко снижает его стабильность по отношению к воздействию мощных a-частиц является установленным фактом.

Литература

1.Tanigawa S., Hinode K., Owada N., Doyama M. The phenomenological Interpetation of positron lifetime and Trapping effect in metals with the special reference to the state of Hydrogen// Proc. 5th. Int. Conf. of Positron Annihilation Japan, Tokyo. -1979.- P.159 - 165.

2.Mukashev K.M., Umarov F.F. Hydrogen behavior in electron – irradiated titanium alloys studied by positron annihilation method //Radiation Effects and Defects in Solids. -2007. -V.162. №6. -Р. 395-403.

3. Кирсанов В.В. Радиационные дефекты и связанные с ним эффекты // Соросовский образовательный журнал. -2001. Т.7,№10. С.88-94.

4. Мукашев К.М. Физика медленных позитронов и позитронная спектроскопия. – Алматы, -2009. 507 с.