一种用于预测铝材料耐中子辐照性能的试验方法与流程

本发明属于耐辐照材料领域，具体涉及一种用于预测铝材料耐中子辐照性能的试验方法。

背景技术：

1、铝及其合金具有良好的导热性、加工性、力学性能以及中子经济性，在核电领域中取得了广泛应用。但是，铝材料在中子辐照条件下会出现离位损伤、固体嬗变损伤和气体嬗变损伤等多种辐照损伤机制，导致其性能发生明显劣化。因此，对铝材料的耐中子辐照性能进行准确的评估与预测，对于核电设施的安全性具有重要意义。由于直接的中子辐照试验时间长、成本高且试验过程存在较强的放射性，难以针对铝材料大规模开展。因此，提供一种能够准确模拟预测真实条件下铝材料的耐中子辐照性能的试验方法，对于提高核电设施铝制结构件的安全性能具有积极意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，提供一种用于预测铝材料耐中子辐照性能的试验方法，提高铝材料耐中子辐照性能预测的准确性。

2、根据本发明的实施例，提供一种用于预测铝材料耐中子辐照性能的试验方法，该方法包括以下步骤：

3、步骤a）：提供铝材料样品，在所述铝材料样品中确定目标试验区域和离位损伤剂量目标，计算所述目标试验区域中嬗变产生的元素原子浓度；

4、步骤b）：分别对所述目标试验区进行固态元素离子注入、气态元素离子注入和重离子注入；其中，所述固态元素与所述气态元素的离子注入参数根据所述步骤a）计算得到的所述嬗变产生的元素原子量确定；所述重离子的注入参数根据所述离位损伤剂量目标确定，使所述重离子在所述目标试验区域形成离位损伤并沉积在所述目标试验区域之外；

5、步骤c）：切取所述目标试验区域的截面样品，对所述截面样品进行纳米硬度测试和微观辐照损伤表征。

6、纯铝及铝合金材料承受中子辐照后内部会产生离位损伤、固体嬗变损伤和气体嬗变损伤，在不采用高成本和高放射性的中子辐照的情况下，需要对这三类损伤进行准确模拟。其中，在真实中子辐照条件下，固体嬗变损伤主要为al原子捕获中子后嬗变产生si同位素，气体嬗变损伤则是中子辐照影响产生h与he同位素聚集形成气泡，离位损伤是晶格中的al原子被中子碰撞离开原位产生。在上述方法中，利用离子注入技术对三种不同的中子辐照损伤进行分别模拟：通过在目标试验区域注入si离子来模拟固体嬗变损伤；通过在目标试验区域注入h和he离子来模拟气体嬗变损伤；通过向试验区域注入重离子来模拟离位损伤，并通过控制重离子的能量使重离子沉积在试验区域外以避免成为杂质。对形成了模拟中子辐照损伤的试验区域进行微观表征，即可以对铝材料在中子辐照条件下的行为进行预测。

7、进一步地，在部分实施例中，所述步骤a）中，所述铝材料样品配置为经过抛光的铝材料片，所述目标试验区域距离所述铝材料样品表面的距离不少于200nm。试验区域应当距离样品表面一定深度，以避免表面效应对试验结果的影响；同时试验区域的深度范围应当能够使固态元素离子与气态元素离子在适当的能量范围内能够在其中发生沉积，而重离子能够完全穿过。

8、进一步地，在部分实施例中，所述步骤b）中，所述固态元素配置为si，所述气态元素配置为h和he。在其他实施例中，当铝合金中的元素成分产生会产生其他嬗变元素时，也可以增加其他的固态或气态元素离子。

9、进一步地，在部分实施例中，所述步骤b）中，所述重离子配置为au离子或i离子。

10、进一步地，在部分实施例中，所述步骤b）中，对于离子注入方向与所述铝材料样品表面法线的夹角α，α1>α2>α3，其中α1为所述固态元素离子的夹角，α2为所述气态元素离子的夹角，α3为所述重离子的夹角。通过计算合理选择固态元素离子与气态原子离子的入射角度，以使气态元素离子与固态元素离子能够共同沉积在试验区域内。

11、进一步地，在部分实施例中，所述步骤b）中，α1=60°，α2=20°，α3=0°。重离子沿样品表面法向注入能够实现最大的穿透深度，避免残留在试验区域内。

12、进一步地，在部分实施例中，所述步骤b）中，si离子的能量为500kev-800kev，h离子与he离子的能量为40kev-80kev，所述重离子的能量至少为3mev。

13、进一步地，在部分实施例中，所述步骤b）中，在进行离子注入前，至少对每种离子进行3000个离子注入的模拟计算。

14、进一步地，在部分实施例中，所述步骤c）中，所述纳米硬度测试采用纳米压痕仪进行。

15、进一步地，在部分实施例中，所述步骤c）中，所述微观辐照损伤统计的方法包括：对所述截面样品进行透射电子显微镜分析，并进行电子能量损失谱分析和x射线能谱分析。

技术特征：

1.一种用于预测铝材料耐中子辐照性能的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的用于预测铝材料耐中子辐照性能的试验方法，其特征在于，所述步骤a）中，所述铝材料样品配置为经过抛光的铝材料片，所述目标试验区域距离所述铝材料样品表面的距离不小于200nm。

3.根据权利要求1或2所述的用于预测铝材料耐中子辐照性能的试验方法，其特征在于，所述步骤b）中，所述固态元素配置为si，所述气态元素配置为h和he。

4.根据权利要求3所述的用于预测铝材料耐中子辐照性能的试验方法，其特征在于，所述步骤b）中，所述重离子配置为au离子或i离子。

5.根据权利要求4所述的用于预测铝材料耐中子辐照性能的试验方法，其特征在于，所述步骤b）中，对于离子注入方向与所述铝材料样品表面法线的夹角α，α1>α2>α3，其中α1为所述固态元素离子的夹角，α2为所述气态元素离子的夹角，α3为所述重离子的夹角。

6.根据权利要求5所述的用于预测铝材料耐中子辐照性能的试验方法，其特征在于，所述步骤b）中，α1=60°，α2=20°，α3=0°。

7.根据权利要求3所述的用于预测铝材料耐中子辐照性能的试验方法，其特征在于，所述步骤b）中，si离子的能量为500kev-800kev，h离子与he离子的能量为40kev-80kev，所述重离子的能量至少为3mev。

8.根据权利要求1或2所述的用于预测铝材料耐中子辐照性能的试验方法，其特征在于，所述步骤b）中，在进行离子注入前，至少对每种离子进行3000个离子注入的模拟计算。

9.根据权利要求1或2所述的用于预测铝材料耐中子辐照性能的试验方法，其特征在于，所述步骤c）中，所述纳米硬度测试采用纳米压痕仪进行。

10.根据权利要求1或2所述的用于预测铝材料耐中子辐照性能的试验方法，其特征在于，所述步骤c）中，所述微观辐照损伤统计的方法包括：对所述截面样品进行透射电子显微镜分析，并进行电子能量损失谱分析和x射线能谱分析。

技术总结
一种用于预测铝材料耐中子辐照性能的试验方法，属于耐辐照材料领域：提供铝材料样品和目标试验区域的离位损伤剂量目标，根据离位损伤剂量目标计算得到嬗变产生的元素原子浓度；注入固态元素离子模拟固体嬗变损伤，注入气态元素离子模拟气体嬗变损伤，注入重离子并使重离子穿过目标试验区域以模拟离位损伤；切取目标试验区域截面样品进行纳米硬度测试和微观辐照损伤统计，根据统计结果预测铝材料在同等中子辐照下的损伤行为。该方法无需采用中子源，能够对离位损伤、固体嬗变损伤、气体嬗变损伤及其协同效应进行准确模拟，提高铝材料耐中子辐照性能的预测准确性。

技术研发人员：王煦嘉,王晨旭,黄嘉,夏栓,李玲,王弘昶,杨义忠,唐熠彬,陈一恒,王宇钢
受保护的技术使用者：上海核工程研究设计院股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5