徐馳 萬(wàn)發(fā)榮

1) (北京師范大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,射線束技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100875)

2) (北京市科學(xué)技術(shù)研究院,輻射技術(shù)研究所,北京 100875)

3) (北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,北京 100086)

4) (國(guó)防科技工業(yè)核材料技術(shù)創(chuàng)新中心,北京 102413)

對(duì)純鎢透射電鏡薄膜樣品在400 ℃ 進(jìn)行了58 keV、1×1017 cm—2 (約0.1 dpa) 的氘離子輻照,輻照后進(jìn)行了900 ℃/1 h 的退火處理.離子輻照產(chǎn)生了平均尺寸為(11.10±5.41) nm,體密度約為2.40×1022 m—3 的細(xì)小位錯(cuò)環(huán)組織,未觀察到明顯的空洞組織.輻照后退火造成了位錯(cuò)環(huán)尺寸的長(zhǎng)大和體密度的下降,分別為(18.25±16.92) nm 和1.19×1022 m—3.通過(guò)透射電鏡的衍射襯度分析,判斷輻照后退火樣品中的位錯(cuò)環(huán)主要為a/2 〈 111〉 類型位錯(cuò)環(huán).通過(guò)“一步法” inside-outside 襯度分析判斷位錯(cuò)環(huán)為間隙型位錯(cuò)環(huán).輻照后退火還造成了較大位錯(cuò)環(huán)之間接觸融合,形成不規(guī)則形狀的大型位錯(cuò)環(huán).此外,退火后樣品中還觀察到了尺寸為1—2 nm的細(xì)小空洞組織.

1 引言

國(guó)際熱核聚變組織(ITER)已經(jīng)確定ITER將使用全鎢的第一壁材料[1,2].未來(lái),鎢作為第一壁以及偏濾器材料將越來(lái)越多使用在已建成或者新建的核聚變托卡馬克試驗(yàn)反應(yīng)堆中[3].而第一壁等面向等離子體部件需要承受高能量和高劑量的中子輻照,研究鎢中的輻照損傷機(jī)理對(duì)于理解其在輻照環(huán)境下的服役狀況變得至關(guān)重要.

目前關(guān)于鎢的輻照損傷已經(jīng)有了較為廣泛和深入的研究[4-9].鎢金屬作為一種體心立方材料,輻照產(chǎn)生的位錯(cuò)環(huán)主要為以1/2〈111〉 和〈100〉 為柏氏矢量[4].其中1/2〈111〉 型位錯(cuò)環(huán)經(jīng)常在各輻照條件下觀測(cè)到[4,6],而〈100〉 位錯(cuò)環(huán)則在高溫輻照下產(chǎn)生[10,11].輻照后退火會(huì)導(dǎo)致輻照缺陷發(fā)生回復(fù),對(duì)于理解輻照缺陷受熱因素驅(qū)動(dòng)的動(dòng)態(tài)行為具有重要意義.而目前關(guān)于鎢中輻照缺陷的等溫時(shí)效分析仍然較少[12,13],尤其是針對(duì)時(shí)效后可能出現(xiàn)的空位型位錯(cuò)環(huán)(如鐵素體中觀察得到),需要進(jìn)一步分析和探索.

使用透射電子顯微鏡(TEM)衍射襯度分析可以對(duì)輻照后材料中的位錯(cuò)環(huán)的間隙-空位性質(zhì)進(jìn)行細(xì)致研究.使用TEM 鑒定位錯(cuò)環(huán)為間隙型或空位型的常用方法有兩種: 一種是使用超高壓電鏡觀察位錯(cuò)環(huán)在電子輻照下的演化特征,間隙型位錯(cuò)環(huán)會(huì)吸收可移動(dòng)的間隙原子而長(zhǎng)大,而空位型位錯(cuò)環(huán)則因吸收間隙原子縮小[14-17];另外一種是利用位錯(cuò)環(huán)的衍射襯度相對(duì)于真實(shí)位錯(cuò)環(huán)晶格位置的關(guān)系獲得的inside-outside 襯度方法進(jìn)行判斷[18-21].前者要求有超高壓透射電子顯微鏡進(jìn)行原位電子輻照觀察,后者則要求位錯(cuò)環(huán)有相對(duì)較大尺寸以便于inside-outside 襯度觀察.此外,輻照初期產(chǎn)生的細(xì)小位錯(cuò)環(huán)也可以通過(guò)黑白襯度法鑒別其間隙型或空位型特性[20].

本文工作的主要內(nèi)容是對(duì)離子輻照以及退火后鎢金屬中的位錯(cuò)環(huán)形貌、大小、數(shù)密度以及柏氏矢量等特征進(jìn)行表征分析,尤其使用inside-outside襯度方法對(duì)位錯(cuò)環(huán)特性進(jìn)行分析.關(guān)注的重點(diǎn)是等溫時(shí)效對(duì)離子輻照后的鎢金屬中位錯(cuò)環(huán)等輻照缺陷形態(tài)的改變,以及空位型位錯(cuò)環(huán)的產(chǎn)生與否,以形成對(duì)離子輻照鎢在等溫時(shí)效過(guò)程中動(dòng)態(tài)回復(fù)機(jī)制的初步理解.

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 鎢透射樣品制備

實(shí)驗(yàn)材料為粉末冶金制備的純鎢金屬,密實(shí)度＞99.95%.實(shí)驗(yàn)前,對(duì)鎢金屬進(jìn)行1000 ℃ 高溫退火1 h.之后對(duì)樣品進(jìn)行線切割成0.5 mm 厚薄片,對(duì)薄片進(jìn)行機(jī)械打磨至最終厚度約0.1 mm.使用透射電鏡制樣專用沖樣機(jī)進(jìn)行沖樣,將薄片沖成直徑3 mm 標(biāo)準(zhǔn)透射樣品.之后使用2000#砂紙對(duì)3 mm 圓片雙面進(jìn)行打磨,并使用無(wú)水酒精進(jìn)行沖洗,晾干備用.

為獲得具有電子束透明薄區(qū)的樣品,對(duì)3 mm直徑薄圓片進(jìn)行電解拋光減薄處理.所使用的電解液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的NaOH 水溶液.使用Struers Tenupol-5 型雙噴電解拋光機(jī)進(jìn)行電解拋光.使用拋光電壓為16—18 V,拋光溫度為0—5 ℃.

2.2 輻照與退火實(shí)驗(yàn)

對(duì)所制備的鎢金屬標(biāo)準(zhǔn)透射樣品進(jìn)行離子輻照實(shí)驗(yàn).離子輻照實(shí)驗(yàn)使用北京師范大學(xué)BNU-400 高通量離子注入機(jī)進(jìn)行.實(shí)驗(yàn)溫度為400 ℃,輻照離子為氘離子(D+),能量為58 keV,輻照劑量為1×1017cm—2.

離子輻照之后鎢金屬中的缺陷多為微小黑點(diǎn)狀位錯(cuò)環(huán)缺陷,難以進(jìn)行詳細(xì)的位錯(cuò)環(huán)結(jié)構(gòu)分析.因此對(duì)D+輻照后的鎢金屬樣品進(jìn)行了高溫退火實(shí)驗(yàn),方法為將輻照后的TEM 樣品在真空環(huán)境下封入石英管進(jìn)行退火,退火溫度為900 ℃,時(shí)間1 h.

使用SRIM 2013 軟件模擬了58 keV D+輻照在鎢金屬中產(chǎn)生的移位缺陷和注入離子分布,如圖1 所示.模擬使用基于Kinchin-Pease(K-P)模型的快速計(jì)算模式.由圖可知,鎢金屬的輻照損傷峰值深度約為200 nm,而所注入的D+分布峰值深度約300 nm.對(duì)于透射電鏡表征的常用樣品厚度(50—100 nm),58 keV,1×1017cm—2的D+輻照所產(chǎn)生的輻照損傷劑量約為0.1 dpa.

圖1 SRIM 2013 軟件模擬58 keV,1× 1017 cm—2 D+ 輻照純鎢金屬中的輻照劑量(單位: dpa)以及注入D+隨深度分布 圖.SRIM 計(jì)算使用K-P 模 式,D 原子量為2.014 amu,W 的移位域能為90 eV [22]Fig.1.The irradiation dose and D+ depth distributions for 58 keV,1× 1017 cm—2 D+ irradiation of pure tungsten as calculated by SRIM 2013 software.The calculation is performed in the K-P quick calculation mode,with the atomic weight of D set as 2.014 amu and the displacement threshold energy for W set as 90 eV [22].

2.3 TEM 表征細(xì)節(jié)

透射電鏡表征使用JEOL 2100 型號(hào)的透射電鏡,工作電壓為200 kV.實(shí)驗(yàn)選取了體心立方鎢晶體的主要晶帶軸[001],[111],[110]并選取多個(gè)衍射矢量進(jìn)行表征.其中,在確定衍射點(diǎn)的g矢量時(shí),參照了標(biāo)準(zhǔn)菊池圖中的標(biāo)記[21].同時(shí)確保在不同晶帶軸之間轉(zhuǎn)換時(shí),相同菊池線上的衍射矢量的連貫性和一致性.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 離子輻照后微觀形貌觀察

如圖2 所示,400 ℃,1× 1017cm—2的D+輻照后,鎢基體內(nèi)部觀察的缺陷主要為黑點(diǎn)狀小型位錯(cuò)環(huán)缺陷,未觀察到明顯的空洞組織.在經(jīng)歷900 ℃/1 h退火之后,位錯(cuò)環(huán)尺寸發(fā)生明顯長(zhǎng)大,如圖2(c)所示.從圖2(c)中可以看到,部分較大位錯(cuò)環(huán)由于生長(zhǎng)發(fā)生位錯(cuò)線重疊以及發(fā)生位錯(cuò)反應(yīng),從而形成了拉長(zhǎng)的不規(guī)則位錯(cuò)環(huán).此外可以看到,拉長(zhǎng)的位錯(cuò)環(huán)長(zhǎng)軸方向大致與g(0) 矢量平行,由此推測(cè),位錯(cuò)環(huán)生長(zhǎng)方向可能與該衍射矢量方向平行.

圖2 (a) 400 ℃ D+輻照后鎢中某一區(qū)域的輻照缺陷的明場(chǎng)像觀;(b) 該區(qū)域的g(10)雙束衍射條件下的CBED 圖(為便于觀察將襯度反轉(zhuǎn)),用于計(jì)算圖(a)中區(qū)域的樣品厚度;(c) 離子輻照后900 ℃/1 h 退火后的位錯(cuò)環(huán)明場(chǎng)像觀察;(d) 明場(chǎng)像的衍射條件圖,g=(10);(e),(f) 欠焦和過(guò)焦條件下,離子輻照退火后在樣品薄區(qū)觀察到的空洞缺陷Fig.2.(a) TEM bright-field (BF) imaging of an area in the 400 ℃ D+ irradiated sample;(b) a CBED pattern obtained under g(10) vector (contrast inverted for observation convenience),which is used for calculation of the specimen thickness of the area in Figure (a);(c) BF imaging of the dislocation loops in the irradiated and 900 ℃/1 h annealed specimen;(d) diffraction pattern showing the diffraction condition of Figure (c),g=(10) ;(e),(f) void structures observed in the irradiated and annealed specimen in underfocus and overfocus conditions,respectively.

為了更直觀地看出輻照后退火對(duì)位錯(cuò)環(huán)尺寸變化產(chǎn)生的影響,將離子輻照以及離子輻照后退火形成的位錯(cuò)環(huán)尺寸分布進(jìn)行了直方圖繪圖,如圖3所示,分別統(tǒng)計(jì)了圖2(a)和圖2(c)中的位錯(cuò)環(huán)尺寸分布.從圖2(a)和圖2(c)中可以清楚看到,輻照后退火造成小尺寸位錯(cuò)環(huán)比例減少,大尺寸位錯(cuò)環(huán)比例增加,整體位錯(cuò)環(huán)尺寸明顯發(fā)生長(zhǎng)大.從統(tǒng)計(jì)數(shù)字看,輻照后位錯(cuò)環(huán)平均尺寸為(11.10±5.41) nm,而輻照+退火后位錯(cuò)環(huán)平均尺寸為(18.25±16.92) nm.此外,輻照后退火在鎢金屬內(nèi)形成了尺寸為1—2 nm大小的空洞,如圖2(e)和圖2(f)中的欠焦圖片所展示.為了精確地計(jì)算輻照后位錯(cuò)環(huán)密度的大小,使用會(huì)聚束衍射(CBED)方法對(duì)圖2(a)區(qū)域的薄區(qū)厚度進(jìn)行了測(cè)量,CBED 圖如圖2(b)所示.所測(cè)得的試樣厚度為122.5 nm[19,23],該區(qū)域的位錯(cuò)環(huán)面密度約為1.47×1015m—2,故位錯(cuò)環(huán)體密度約為1.20×1022m—3.用同樣的方法測(cè)得,輻照后退火樣品中的位錯(cuò)環(huán)體密度約為5.97×1021m—3.由此可見(jiàn),輻照后退火導(dǎo)致位錯(cuò)環(huán)密度大幅下降.需要注意的是,以上所得位錯(cuò)環(huán)體密度數(shù)值是使用g(10)或g(01) 觀察矢量測(cè)得,在兩種情況下a/2〈111〉位 錯(cuò)的四個(gè)變體 (±[11],±[11],±[11],±[111]) 中有兩個(gè)均會(huì)發(fā)生消襯而未顯現(xiàn),所以,如果位錯(cuò)環(huán)主要由a/2〈111〉 位錯(cuò)環(huán)組成,真實(shí)位錯(cuò)環(huán)密度需要乘以2.此外,樣品厚度測(cè)量以及位錯(cuò)環(huán)重疊現(xiàn)像等因素可能會(huì)導(dǎo)致位錯(cuò)環(huán)統(tǒng)計(jì)數(shù)量的誤差.

圖3 純鎢金屬400 ℃,58 keV D+ 輻照(Irr.)以及輻照后900 ℃/1 h 退火(Irr.+ann.)后位錯(cuò)環(huán)尺寸分布直方圖Fig.3.Histograms showing the loop size distributions in the 400 ℃,58 keV D+ irradiated (Irr.) and the irradiated and 900 ℃/1 h annealed (Irr.+ann.) samples,respectively.

3.2 輻照后退火形成的位錯(cuò)環(huán)柏氏矢量確定

為了確定輻照后退火形成的位錯(cuò)環(huán)的柏氏矢量(b),對(duì)該透射樣品進(jìn)行了試樣傾轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn).分別選擇 了晶帶軸的晶帶軸的g(101)和[001] 晶帶軸的g(110),進(jìn)行同一視場(chǎng)下的明場(chǎng)像觀察,如圖4 所示.從圖4 中可以看到,隨著衍射條件的變化,位錯(cuò)發(fā)生了不同情況的襯度消失(消襯)現(xiàn)象.從中選擇了三個(gè)典型的位錯(cuò)環(huán)Loop A,B,C,并對(duì)其顯襯和消襯的情況進(jìn)行追蹤,結(jié)果如表1 所列.根據(jù)衍射襯度理論[19],位錯(cuò)襯度與 (g·b)sg值有關(guān)(sg為偏移矢量模值),消襯條件為g·b=0.因此,針對(duì)每個(gè)位錯(cuò)環(huán),選擇使其消襯的兩個(gè)g矢量叉積即得到位錯(cuò)環(huán)柏氏矢量的平行矢量,結(jié)果如下:

表1 圖4 中的位錯(cuò)環(huán)顯襯消襯情況總結(jié).“√”表示位錯(cuò)環(huán)未消襯,“×”表示位錯(cuò)環(huán)消襯Table 1.The contrast visibility conditions for the dislocation loops observed in Fig.4.‘√’ means the loop is visible and‘×’ means the loop show contrast extinction.

圖4 (a)—(f) 純鎢試樣經(jīng)400 ℃、58 keV、1017 cm—2 D+ 注入后900 ℃退火1 h 得到的位錯(cuò)環(huán)結(jié)構(gòu)在不同g 矢量明場(chǎng)觀察結(jié)果;(g)—(k) 各明場(chǎng)像衍射條件的對(duì)應(yīng)衍射圖案Fig.4.(a)—(f) BF characterizations of the dislocation loops under different diffraction conditions in the 400 ℃,58 keV,1017 cm—2 D+irradiated and 900 ℃/1 h annealed tungsten sample;(g)—(k) diffraction patterns showing the corresponding diffraction conditions for the BF images.

從該結(jié)果可知,A,B,C 位錯(cuò)環(huán)柏氏矢量均為a/2〈111〉 .需要注意的是,此處判定的是柏氏矢量的平行矢量,其中 “+/—”符號(hào)需要依賴inside-outside襯度確定,將在下一節(jié)中描述.

為了進(jìn)一步確定是否存在〈100〉 系位錯(cuò)環(huán),利用〈100〉 位錯(cuò)環(huán)的特點(diǎn),其在±(200)和±(020)兩個(gè)g矢量下至少會(huì)發(fā)生一次消襯,而1/2〈111〉 位錯(cuò)環(huán)則始終顯襯.因此選取了[001]晶帶軸的±(200)和±(020)g矢量進(jìn)行明場(chǎng)像觀察,如圖5所示(圖中展示了±g之一).選取了18 個(gè)典型的位錯(cuò)環(huán)并在圖中進(jìn)行了標(biāo)記(所標(biāo)記位錯(cuò)環(huán)為數(shù)字左側(cè)的位錯(cuò)環(huán)),對(duì)其顯襯情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),結(jié)果顯示,#1—#18 位錯(cuò)環(huán)在g=±(200) 和g=±(020)的衍射條件下均顯示了較為明顯位錯(cuò)環(huán)襯度.該結(jié)果證明,在該視場(chǎng)下所觀察到的位錯(cuò)環(huán)為1/2〈111〉 型位錯(cuò)環(huán),未發(fā)現(xiàn)〈100〉 型位錯(cuò)環(huán).

圖5 純鎢試樣經(jīng)過(guò)離子輻照并退火后的位錯(cuò)環(huán)形貌,分別在[001]晶帶軸的 (a) g(200) 和 (b) g(020) 衍射條件下進(jìn)行明場(chǎng)像觀察.圖中用數(shù)字標(biāo)記了18 個(gè)典型位錯(cuò)環(huán)Fig.5.Morphology of dislocation loops in the irradiated and annealed tungsten sample observed in BF images taken under(a) g(200) and (b) g(020) vectors of the [001] zone axis,respectively.A total of 18 typical loops are marked with numbers correspondingly.

3.3 Inside-outside 襯度法判定位錯(cuò)環(huán)屬性

根據(jù)inside-outside 襯度的規(guī)則,采用標(biāo)準(zhǔn)的finish-start/right-hand (FS-RH) 法定義的位錯(cuò)柏氏矢量(b),根據(jù)Jenkins &Kirk[20]的描述,如果定義位錯(cuò)環(huán)法向n向上(位錯(cuò)環(huán)法向與位錯(cuò)線走向呈右手螺旋規(guī)則),則有如下結(jié)論:

1) 當(dāng)(g·b)sg＞ 0 時(shí),位錯(cuò)環(huán)顯示outside 襯度;

2) 當(dāng)(g·b)sg＜ 0 時(shí),位錯(cuò)環(huán)顯示inside 襯度.

此時(shí),根據(jù)柏氏矢量與位錯(cuò)環(huán)法向的關(guān)系,可以判定位錯(cuò)環(huán)是間隙型位錯(cuò)環(huán)還是空位型位錯(cuò)環(huán),即:

1)b·n＞ 0,或b·B＜ 0,為間隙型位錯(cuò)環(huán);

2)b·n＜ 0,或b·B＞ 0,為空位型位錯(cuò)環(huán).

這里的B為電子束方向,一般為向下的方向(與n相反).

針對(duì)圖2(c)中白色方框內(nèi)的區(qū)域進(jìn)行了不同衍射條件下相同視場(chǎng)的明場(chǎng)像觀察,如圖6 所示.分別選擇了[001]晶帶軸中的±(020),±(110),[111]晶帶軸的以及[011]晶帶軸的矢量,進(jìn)行了inside-outside 襯度觀察.在傾轉(zhuǎn)每個(gè)g矢量時(shí)確保sg＞ 0[19],并且在確定每個(gè)g矢量指數(shù)時(shí)依據(jù)菊池圖的關(guān)系確保同一g矢量在不同帶軸之間的連貫性.對(duì)圖6 中的三個(gè)位錯(cuò)環(huán)的insideoutside 襯度情況總結(jié)如表2 所列.從表2 可以看出,三個(gè)位錯(cuò)環(huán)的消襯情況以及inside-outside襯度情況基本相同,可以判斷為同一類型位錯(cuò)環(huán).

表2 圖6 中標(biāo)號(hào)的位錯(cuò)環(huán)(A,B,C)在各個(gè)衍射矢量下的inside-outside 襯度情況.I-inside 襯度;O-outside 襯度;×-消襯;√-不消襯,但inside-outside 襯度不明顯Table 2.The inside-outside contrasts of the selected loops (A,B,C) in Fig.6.Meanings of the different signs: I-inside contrast;O-outside contrast;×-contrast extinction;√-visible,but with uncertain inside-outside contrasts.

圖6 離子輻照后退火的純鎢試樣中同一視場(chǎng)在不同衍射矢量下的明場(chǎng)像觀察.選擇[001],[111]和[011]三個(gè)晶帶軸下的多個(gè)± g 矢量,并確保各g 矢量的偏移矢量sg ＞ 0.選擇了三個(gè)位錯(cuò)環(huán)A,B,C 并對(duì)其在不同衍射條件下的inside-outside 襯度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)Fig.6.BF images showing the dislocation loops in the same area of the irradiated and annealed tungsten sample.Multiple ±g vectors are selected in the [001],[111] and [011] zone axis,and the deviation vector sg is set to sg ＞ 0 for these imaging conditions.Three typical loops (A,B,C) are tracked with respect to their inside-outside contrasts under different imaging conditions.

4 討論部分

4.1 鎢中位錯(cuò)環(huán)類型及其對(duì)輻照損傷行為的影響

體心立方(bcc)金屬常見(jiàn)的位錯(cuò)環(huán)類型有a/2〈111〉,a/2〈110〉 和〈100〉 位錯(cuò)環(huán)[14,24].其中a/2〈110〉位錯(cuò)環(huán)因?yàn)榫哂袑渝e(cuò)在層錯(cuò)能較高的bcc 材料中比較少見(jiàn).最容易出現(xiàn)的位錯(cuò)環(huán)是柏氏矢量沿著a/2〈111〉 的位錯(cuò)環(huán)[25-28],這在鎢、鉬和釩合金材料的輻照損傷的觀察中已經(jīng)大量發(fā)現(xiàn)[4,13,29,30].〈100〉型的位錯(cuò)環(huán)的觀測(cè)也有報(bào)道[6,18,31],但是其存在比例以及觀測(cè)頻率均低于前者.位錯(cuò)環(huán)對(duì)點(diǎn)缺陷吸收的偏壓(s=(Zi—Zv)/Zi[14])為正,即對(duì)間隙原子吸收的比例大于對(duì)空位的吸收,會(huì)導(dǎo)致材料中的空位的富集而形成空洞[24].空洞是一個(gè)中性的點(diǎn)缺陷陷阱,而位錯(cuò)環(huán)是一個(gè)有正偏壓s的陷阱,且s的大小與柏氏矢量|b|大小有關(guān).對(duì)〈100〉 和1/2〈111〉 位錯(cuò)環(huán)來(lái)說(shuō),前者的偏壓更大,而1/2〈111〉 位錯(cuò)環(huán)相對(duì)偏中性.如果材料中大量形成1/2〈111〉 位錯(cuò)環(huán)而非〈100〉 位錯(cuò)環(huán),則輻照腫脹率相對(duì)降低.本文中觀察到鎢金屬經(jīng)D+輻照形成的位錯(cuò)環(huán)主要由1/2〈111〉 位錯(cuò)環(huán)組成,未觀察到明顯的〈100〉 位錯(cuò)環(huán).所以,鎢金屬在此輻照條件下,相比于形成〈100〉位錯(cuò)環(huán)的情況,輻照引起的位錯(cuò)環(huán)和空洞長(zhǎng)大將有所減少.

本文觀測(cè)的D+輻照后鎢金屬中位錯(cuò)環(huán)尺寸分布范圍較廣,如圖3 所示,該結(jié)果與Matsui 等[32]在10 keV,5—30×1017cm—2D+輻照后的純鎢中的觀察結(jié)果類似.他們認(rèn)為輻照產(chǎn)生的不同大小的位錯(cuò)環(huán)來(lái)源于形核時(shí)間的差別,其所觀察的位錯(cuò)環(huán)被確定為慣習(xí)面為接近{110}平面的a/2〈111〉 位錯(cuò)環(huán),與本文結(jié)果相符.Matsui 等[32]以及Nagata 等[33]指出 D+輻照鎢后,可能會(huì)形成自間隙原子(SIA)與D 原子形成的復(fù)合物(SIA-D),該復(fù)合物在輻照中成為位錯(cuò)環(huán)形核位點(diǎn),并且可能在輻照后退火或電子輻照中釋放間隙原子從而影響缺陷演化過(guò)程.

根據(jù)此前的研究結(jié)果[34,35],鎢中缺陷回復(fù)被總結(jié)為5 個(gè)階段[4,13].本文的退火溫度(900 ℃,1173 K)介于第IV 和第V 階段(從約0.31Tm開(kāi)始,Tm熔點(diǎn))之間,在這兩個(gè)階段分別發(fā)生了空位-空位/雜質(zhì)復(fù)合團(tuán)簇的遷移以及間隙或空位團(tuán)簇的分解或者空洞的形成[4,14].本文中觀測(cè)到的空洞的形成以及位錯(cuò)環(huán)的接觸融合現(xiàn)象(見(jiàn)圖2)均與此相符.值得注意的是,本文的退火溫度(1173 K)已經(jīng)大大超過(guò)了鎢中滯留氘的熱脫附峰值溫度(400—800 K[36]),輻照空缺內(nèi)的氘氣體被認(rèn)為已經(jīng)完全逸散,因此圖2(e)和圖2(f)中變焦觀察到的空缺結(jié)構(gòu)被認(rèn)定為空洞而非輻照產(chǎn)生的氘氣泡.本文中觀測(cè)的位錯(cuò)環(huán)特性基本與Ferroni等[13]對(duì)2 MeV W+輻照(500 ℃,1.5 dpa)+等溫時(shí)效后的鎢中的觀測(cè)相符,輻照后退火殘留的位錯(cuò)環(huán)均為1/2〈111〉 型間隙型位錯(cuò)環(huán)而未觀測(cè)到〈100〉 位錯(cuò)環(huán).Ferroni 等[13]的原位觀察還顯示,位錯(cuò)環(huán)在800 ℃以上自組織形成了位錯(cuò)環(huán)的“鎖鏈”結(jié)構(gòu)并通過(guò)“鎖鏈”中的位錯(cuò)環(huán)融合形成了不規(guī)則的大位錯(cuò)環(huán)結(jié)構(gòu),并且發(fā)生了位錯(cuò)環(huán)的加速回復(fù)而導(dǎo)致其數(shù)密度下降,這些均與本文中的觀察相符.

本文中實(shí)驗(yàn)的一個(gè)不同點(diǎn)在于使用D(或H)離子輻照而非重離子輻照.目前已經(jīng)清楚,鐵素體鋼經(jīng)H 同位素離子輻照后,可能形成D(或H)與空位的D(H)-V 復(fù)合體,該復(fù)合體在回復(fù)第IV 階段開(kāi)始移動(dòng),從而導(dǎo)致間隙型位錯(cuò)環(huán)尺寸的縮小以及形成尺寸較大的空位型位錯(cuò)環(huán)[14-17].本文的結(jié)果顯示,D+輻照的鎢金屬經(jīng)第IV 階段退火后,通過(guò)inside-outside 襯度分析未發(fā)現(xiàn)明顯的空位型位錯(cuò)環(huán).

4.2 Inside-outside 襯度法判定位錯(cuò)環(huán)屬性的方法

位錯(cuò)電子衍射襯度理論的一個(gè)重要結(jié)論是由于位錯(cuò)引起的晶格畸變,其衍射襯度相對(duì)真實(shí)位置投影存在一個(gè)偏移,這個(gè)偏移的方向隨(g ·b)s符號(hào)發(fā)生變化[19-21].這一結(jié)論的直接結(jié)果是對(duì)位錯(cuò)環(huán)來(lái)說(shuō),隨衍射條件變化,位錯(cuò)環(huán)襯度相對(duì)其真實(shí)位置投影會(huì)出現(xiàn)在其內(nèi)部和在其外部的變化,即所謂的inside-outside 襯度[9].由于在確定衍射條件和位錯(cuò)環(huán)的傾斜幾何構(gòu)型的情況下,間隙型位錯(cuò)環(huán)和空位型位錯(cuò)環(huán)呈現(xiàn)完全相反的inside-outside 襯度,因此可以根據(jù)這一特點(diǎn)對(duì)材料中的間隙型和空位型位錯(cuò)環(huán)加以鑒別.

Inside-outside 法可以大致分為“兩步法”和“一步法”.黃伊娜等[18]對(duì)二者進(jìn)行了詳細(xì)的描述,其中“兩步法”基本過(guò)程為首先通過(guò)inside-outside襯度確定g ·b的符號(hào),即衍射矢量與柏氏矢量b的取向關(guān)系;之后通過(guò)沿+g或—g方向傾轉(zhuǎn)試樣觀察位錯(cuò)環(huán)形狀的改變來(lái)確定g ·n的符號(hào),即衍射矢量與位錯(cuò)環(huán)法向n的取向關(guān)系.這樣結(jié)合g ·b的符號(hào)和g ·n的符號(hào)確定b ·n的符號(hào),從而能夠確定間隙型或空位型位錯(cuò)環(huán)屬性.而一步法直接通過(guò)g·b=0消襯判據(jù)和inside-outside 襯度確定柏氏矢量b的確切指數(shù),然后根據(jù)b ·n或b ·B的點(diǎn)乘符號(hào)來(lái)判斷位錯(cuò)環(huán)的屬性.“兩步法”和“一步法”的主要區(qū)別在于是否需要通過(guò)傾轉(zhuǎn)試樣來(lái)獲取位錯(cuò)環(huán)的慣習(xí)面的傾斜狀態(tài).針對(duì)情況較為簡(jiǎn)單的刃型位錯(cuò)環(huán)的情況,由于慣習(xí)面總是與位錯(cuò)環(huán)垂直,可以使用“一步法”進(jìn)行直接判定.“一步法”在Jenkins 與Kirk[20]以及Lorretto 與Smallman[21]的著書(shū)中均有描述,本文中采用的方法也屬于此方法.關(guān)于“一步法”有以下相關(guān)因素需要考慮.

1) 位錯(cuò)柏氏矢量的定義: 由于inside-outside襯度判斷位錯(cuò)環(huán)屬性的判據(jù)是柏氏矢量b與位錯(cuò)環(huán)法向n的取向關(guān)系,柏氏矢量的定義直接影響結(jié)果.我們注意到,雖然柏氏矢量目前普遍采用的都是FS-RH 的定義方式,但是存在先在完整晶體中[18,37]做右手螺旋回路和先在缺陷晶體[13,19,38]做右手螺旋回路的兩種定義方式,如圖7 所示,其結(jié)果是完全相反的柏氏矢量方向.

2) 位錯(cuò)環(huán)法向n的確定: 位錯(cuò)環(huán)法向?qū)嶋H決定了位錯(cuò)線正方向,因?yàn)槲诲e(cuò)環(huán)法向與位錯(cuò)線走向呈右手螺旋關(guān)系[38,24].而位錯(cuò)線正方向決定了圖7中閉合回路的方向,當(dāng)n的方向反轉(zhuǎn)時(shí),得到的柏氏矢量方向也發(fā)生反轉(zhuǎn).

圖7 按照FS-RH 法定義的柏氏矢量 (a) 先在缺陷晶體做閉合回路;(b) 先在完整晶體做閉合回路.圖中刃位錯(cuò)核心處的 “·”符號(hào)代表位錯(cuò)線的正方向?yàn)閺募埻膺M(jìn)入紙內(nèi)的方向Fig.7.The definition of Burger’s vector following the FS—RH convention: (a) First drawing the closed circuit in defected crystal;(b) first drawing the closed circuit in the perfect crystal.The “·” sign in the edge dislocation core means that the positive direction of the dislocation line is going into the paper.

3)g矢量的確定:g矢量的標(biāo)號(hào)直接影響b矢量符號(hào)的判定,g矢量的標(biāo)號(hào)受電子束B(niǎo)的方向影響,目前大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)菊池圖(如Lorretto 與Smallman[21]的附錄中展示的)中g(shù)矢量的標(biāo)號(hào)都是默認(rèn)電子束方向向下而判定的.

將以上因素對(duì)位錯(cuò)環(huán)性質(zhì)判定的影響效果進(jìn)行列表,如表3 所列.注意到,第1),2) 因素實(shí)際上不影響最終位錯(cuò)環(huán)性質(zhì)的判定.改變b矢量定義方式會(huì)使根據(jù)inside-outside 襯度判定的b矢量符號(hào)相反,但是同時(shí)b ·n的判定規(guī)則也與原來(lái)相反,因此最終的間隙型空位型判定結(jié)果不變.改變位錯(cuò)環(huán)法向n的方向也會(huì)導(dǎo)致根據(jù)inside-outside 襯度判定的b矢量符號(hào)相反,但是b ·n的值的符號(hào)以及b ·n的判定規(guī)則都沒(méi)有發(fā)生改變,所以最終的間隙型空位型判定結(jié)果不變,如表3 所列.由于n的朝向是相對(duì)于電子束方向B而言,且對(duì)于簡(jiǎn)單刃型位錯(cuò)環(huán)n與b平行,實(shí)際可以通過(guò)b ·B的符號(hào)判斷位錯(cuò)環(huán)的屬性.類似地,表3 中雖然顯示當(dāng)變換n的取向時(shí),雖然b ·B的判定規(guī)則發(fā)生改變,但此時(shí)(g·b)s的規(guī)則也發(fā)生了反轉(zhuǎn),所以最終判定的位錯(cuò)環(huán)屬性結(jié)果不會(huì)發(fā)生變化.實(shí)際操作當(dāng)中往往固定一個(gè)特定的n朝向(如n朝上[18]),然后按照表3 中同一列的判定規(guī)則進(jìn)行判定即可.因此,“一步法”中需要注意的是g矢量的判定.在確定衍射矢量時(shí),如bcc 晶體[111]晶帶軸的的起始選擇有一定的隨意性,但是對(duì)于一對(duì)±g矢量,如的確定,二者不是對(duì)等的,需要嚴(yán)格按照菊池圖中的標(biāo)記進(jìn)行標(biāo)定(可以參照如[111]和[110]菊池極的相對(duì)位置進(jìn)行判定).并且,不同晶帶軸之間屬于同一菊池帶上的±g矢量須保持連貫性.

表3 影響位錯(cuò)環(huán)性質(zhì)判定的各因素的影響效果列表.(g · b)s 與inside-outside 襯度的關(guān)系參照[20].各符號(hào)意義為: I-inside襯度;O-outside 襯度;V-loop-空位型位錯(cuò)環(huán);I-loop-間隙型位錯(cuò)環(huán);n 的朝向是相對(duì)電子束方向B,后者定義為向下Table 3.Factors affecting the identification of interstitial or vacancy character of dislocation loops and list of effects.The relations between (g ·b)s and the inside-outside contrasts is following [20].Meanings of different signs: I-inside contrast;Ooutside contrast;V-loop: vacancy loop;I-loop -interstitial loop;the direction of n is respective of the electron beam direction B which is pointing downwards.

雖然輻照產(chǎn)生的位錯(cuò)環(huán)中純?nèi)行臀诲e(cuò)環(huán)出現(xiàn)的幾率相對(duì)較高,但是非純?nèi)行臀诲e(cuò)環(huán)依然是存在的.因此,使用“一步法”判定的結(jié)果具有一定的參考價(jià)值,而對(duì)于復(fù)雜的混合型位錯(cuò)環(huán),則需要進(jìn)行更多的分析步驟,具體細(xì)節(jié)參見(jiàn)文獻(xiàn)[20].此外,對(duì)于尺寸較小的黑點(diǎn)狀(“black-dot”)位錯(cuò)環(huán)(如圖2(a)中所示),可以使用強(qiáng)衍射條件下產(chǎn)生的“black-white”襯度對(duì)其性質(zhì)進(jìn)行分析[20].而分析位錯(cuò)環(huán)間隙型和空位型類型的一個(gè)更為便捷的方法是直接使用高能電子(如超高壓電鏡)輻照產(chǎn)生弗倫克爾缺陷對(duì)導(dǎo)致的位錯(cuò)環(huán)長(zhǎng)大縮小進(jìn)行判定[14,16].不過(guò),能夠?qū)︽u進(jìn)行電子輻照的高壓電鏡,其加速電壓需要達(dá)到2 MV,目前只有日本大阪大學(xué)具備實(shí)驗(yàn)條件.

5 結(jié)論

本課題對(duì)純鎢透射電鏡薄膜樣品在400 ℃ 進(jìn)行了58 keV,1× 1017cm—2的D+輻照,輻照后進(jìn)行了900 ℃/1 h 的退火處理,實(shí)驗(yàn)得到以下結(jié)論.

1) D+輻照在純鎢晶體內(nèi)部產(chǎn)生了黑點(diǎn)狀位錯(cuò)環(huán),統(tǒng)計(jì)平均尺寸為(11.10±5.41) nm,體密度約為2.40×1022m—3,未觀察到明顯的空洞組織.

2) 輻照后退火造成位錯(cuò)環(huán)尺寸明顯長(zhǎng)大和密度降低,位錯(cuò)環(huán)統(tǒng)計(jì)平均尺寸為(18.25±16.92) nm,體密度約為(1.19×1022) m—3.退火造成了較大位錯(cuò)環(huán)之間接觸融合,形成不規(guī)則形狀的大型位錯(cuò)環(huán).此外,退火后樣品中觀察到了細(xì)小空洞組織(1—2 nm).

3) 經(jīng)TEM 衍射襯度分析得出,輻照后退火純鎢樣品中的位錯(cuò)環(huán)主要為a/2〈111〉 型間隙型位錯(cuò)環(huán),未觀察到明顯的〈100〉 型位錯(cuò)環(huán)或空位型位錯(cuò)環(huán).其中間隙型位錯(cuò)環(huán)類型結(jié)論由inside-outside襯度“一步法”分析得出.