Помощь студентам в учебе
КОНТРОЛЬ И АНАЛИЗ ДЕФЕКТНОЙ СТРУКТУРЫ ГЕТЕРОГЕННЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДАМИ ПОЗИТРОННОЙ АННИГИЛЯЦИОННОЙ СПЕКТРОМЕТРИИ
|
Введение 5
1. Применение позитронной аннигиляционной спектрометрии для контроля и анализа дефектов в гомогенных и гетерогенных металлических материалах: физические основы и научно-технические аспекты 14
1.1. Разработка источника позитронов и методики для in situ контроля и анализа методами позитронной аннигиляционной спектрометрии при термических
и водородных воздействиях 27
1.2. Выводы по главе 1 45
2. Разработка аппаратно-программного комплекса для in situ и ex situ контроля и анализа дефектов в гомогенных и гетерогенных металлических материалах методами позитронной аннигиляционной спектрометрии при термических и водородных воздействиях 47
2.1. Разработка аппаратного обеспечения комплекса для in situ и ex situ
контроля и анализа дефектов в гомогенных и гетерогенных металлических материалах методами позитронной аннигиляционной спектрометрии при термических и водородных воздействиях 47
2.2. Разработка программного обеспечения комплекса для in situ и ex situ
контроля и анализа дефектов в гомогенных и гетерогенных металлических материалах методами позитронной аннигиляционной спектрометрии при термических и водородных воздействиях 69
2.3. Апробация комплекса для in situ и ex situ контроля и анализа дефектов
методами позитронной аннигиляционной спектрометрии при термических и водородных воздействиях 81
2.4. Применение разработанного аппаратно-программного комплекса для in situ контроля и анализа дефектов при термических и водородных воздействиях .
95
2.5. Разработка методики позитронной аннигиляционной спектрометрии для идентификации различных типов дефектов (включая примесно-вакансионные)
в гомогенных и гетерогенных металлических материалах 103
2.6. Выводы по главе 2 106
3. Позитронный контроль дефектной структуры гетерогенных металлических материалов при синтезе и накоплении водорода 109
3.1. Позитронная аннигиляционная спектрометрия дефектной структуры титановых изделий, изготовленных методом селективного электронно-лучевого сплавления при различных параметрах 114
3.2. Позитронная аннигиляционная спектрометрия дефектной структуры титановых изделий, изготовленных методом селективного электронно-лучевого
сплавления при накоплении водорода 125
3.3. Выводы по главе 3 136
4. Позитронный контроль дефектной структуры гетерогенных металлических материалов при синтезе и облучении 140
4.1. Позитронная аннигиляционная спектрометрия металлических наноразмерных многослойных систем Zr/Nb до и после протонного облучения 149
4.2. Первопринципное моделирование границы раздела Zr/Nb до и после
внедрения атомов водорода 160
4.3. Позитронная аннигиляционная спектрометрия металлических
наноразмерных многослойных систем Zr/Nb с различной толщиной слоев при облучении протонами различной длительности 169
4.4. Анализ влияния локализации радиационных повреждений в
металлических наноразмерных многослойных системах Zr/Nb с различной толщиной слоев 177
4.5. Позитронная аннигиляционная спектрометрия и первопринципное
моделирование металлических наноразмерных многослойных систем Zr/Nb до и
после облучения ионами гелия 195
4.6. Выводы по главе 4 211
Заключение 215
Список сокращений 217
Список литературы 219
Приложение A. Паспорт позитронного источника 253
Приложение Б. Акт внедрения результатов в ТПУ 254
Приложение В. Акт внедрения результатов в ТГАСУ 255
Приложение Г. Акт внедрения результатов в ИФПМ СО РАН 256
1. Применение позитронной аннигиляционной спектрометрии для контроля и анализа дефектов в гомогенных и гетерогенных металлических материалах: физические основы и научно-технические аспекты 14
1.1. Разработка источника позитронов и методики для in situ контроля и анализа методами позитронной аннигиляционной спектрометрии при термических
и водородных воздействиях 27
1.2. Выводы по главе 1 45
2. Разработка аппаратно-программного комплекса для in situ и ex situ контроля и анализа дефектов в гомогенных и гетерогенных металлических материалах методами позитронной аннигиляционной спектрометрии при термических и водородных воздействиях 47
2.1. Разработка аппаратного обеспечения комплекса для in situ и ex situ
контроля и анализа дефектов в гомогенных и гетерогенных металлических материалах методами позитронной аннигиляционной спектрометрии при термических и водородных воздействиях 47
2.2. Разработка программного обеспечения комплекса для in situ и ex situ
контроля и анализа дефектов в гомогенных и гетерогенных металлических материалах методами позитронной аннигиляционной спектрометрии при термических и водородных воздействиях 69
2.3. Апробация комплекса для in situ и ex situ контроля и анализа дефектов
методами позитронной аннигиляционной спектрометрии при термических и водородных воздействиях 81
2.4. Применение разработанного аппаратно-программного комплекса для in situ контроля и анализа дефектов при термических и водородных воздействиях .
95
2.5. Разработка методики позитронной аннигиляционной спектрометрии для идентификации различных типов дефектов (включая примесно-вакансионные)
в гомогенных и гетерогенных металлических материалах 103
2.6. Выводы по главе 2 106
3. Позитронный контроль дефектной структуры гетерогенных металлических материалов при синтезе и накоплении водорода 109
3.1. Позитронная аннигиляционная спектрометрия дефектной структуры титановых изделий, изготовленных методом селективного электронно-лучевого сплавления при различных параметрах 114
3.2. Позитронная аннигиляционная спектрометрия дефектной структуры титановых изделий, изготовленных методом селективного электронно-лучевого
сплавления при накоплении водорода 125
3.3. Выводы по главе 3 136
4. Позитронный контроль дефектной структуры гетерогенных металлических материалов при синтезе и облучении 140
4.1. Позитронная аннигиляционная спектрометрия металлических наноразмерных многослойных систем Zr/Nb до и после протонного облучения 149
4.2. Первопринципное моделирование границы раздела Zr/Nb до и после
внедрения атомов водорода 160
4.3. Позитронная аннигиляционная спектрометрия металлических
наноразмерных многослойных систем Zr/Nb с различной толщиной слоев при облучении протонами различной длительности 169
4.4. Анализ влияния локализации радиационных повреждений в
металлических наноразмерных многослойных системах Zr/Nb с различной толщиной слоев 177
4.5. Позитронная аннигиляционная спектрометрия и первопринципное
моделирование металлических наноразмерных многослойных систем Zr/Nb до и
после облучения ионами гелия 195
4.6. Выводы по главе 4 211
Заключение 215
Список сокращений 217
Список литературы 219
Приложение A. Паспорт позитронного источника 253
Приложение Б. Акт внедрения результатов в ТПУ 254
Приложение В. Акт внедрения результатов в ТГАСУ 255
Приложение Г. Акт внедрения результатов в ИФПМ СО РАН 256
Актуальность темы исследования. Разработка научных основ передовых технологий производства материалов с заданными физико-механическими свойствами для эксплуатации в экстремальных условиях является важной задачей современного материаловедения. Водородная и радиационная повреждаемость — одни из существенных факторов, ограничивающих ресурс материалов водородной и ядерной энергетики, а также авиакосмической техники. Несмотря на долгую историю изучения проблемы, задачи повышения радиационной и водородной стойкости по-прежнему актуальны. Одним из перспективных направлений в этой области является создание специализированных гетерогенных металлических материалов (ГММ) [1-3]. Гетерогенные металлические материалы — это материалы, состоящие из двух или более металлов или их фаз, объединенных в однородную или структурно сложную композицию. Необходимые физикомеханические характеристики могут быть достигнуты за счет создания специфической микроструктуры, в результате чего формируются стоки дефектов и обеспечивается необходимая диффузионная подвижность [4-12]. Это создает условия, при которых возникающие радиационно- или водород-индуцированные дефекты аннигилируют либо в процессе эксплуатации, либо при повышении температуры. Контроль и анализ дефектной структуры подобных материалов при радиационных и водородных воздействиях представляет собой сложную задачу из- за необходимости эффективного мониторинга дефектов различной размерности [13-17]. Необходимо учитывать их возможное взаимодействие и накопление в различных фазах материала, а также на их границах в широком диапазоне концентраций. Кроме того, возникают сложности в контроле и анализе дефектности материалов непосредственно в условиях воздействия. Разработка и применение специализированных методик анализа и контроля позволит не только расширить знания о поведении гетерогенных металлических материалов при радиационных и водородных воздействиях, но и создать инновационные стратегии их проектирования, которые будут учитывать данные факторы.
Степень разработанности темы исследования. Перспективными методами контроля и анализа дефектной структуры гетерогенных металлических материалов при облучении или накоплении водорода, позволяющими исследовать механизмы и динамику эволюции дефектов различной размерности в широком диапазоне концентраций, являются методы позитронной аннигиляционной спектрометрии (ПАС) [18-25]. Исследование временного распределения аннигиляции позитронов (ВРАП) позволяет определить тип и размер дефектов, а также их содержание, в то время как спектрометрия совпадений доплеровского уширения аннигиляционной линии (СДУАЛ) дает возможность наблюдать фазовые превращения и анализировать химическое окружение в местах аннигиляции [14]. Использование пучков позитронов переменной энергии или специализированных методик послойного анализа ПАС позволяет установить распределение данных дефектов по глубине. Таким образом, методы ПАС позволяют не только в полной мере характеризовать внутреннюю дефектную структуру гетерогенных металлических материалов до и после радиационных и водородных повреждений, но и изучать их эволюцию, в том числе непосредственно в условиях воздействия, при наличии соответствующих аппаратурных и методологических решений.
Целью данной работы является разработка аппаратно-программного и методологического обеспечения применения позитронной аннигиляционной спектрометрии для контроля и анализа дефектной структуры гомогенных и гетерогенных материалов при различных физических воздействиях.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
1. Разработка источника позитронов и специализированной методики для контроля и анализа дефектной структуры материалов методами позитронной аннигиляционной спектрометрии в режиме in situ при термических и водородных воздействиях.
2. Разработка аппаратно-программного комплекса для in situ и ex situ анализа дефектной структуры гомогенных и гетерогенных металлических материалов методами позитронной аннигиляционной спектрометрии при термических и водородных воздействиях.
3. Разработка методики позитронной аннигиляционной спектрометрии, позволяющей идентифицировать различные типы дефектов (включая примесно- вакансионные) в гомогенных и гетерогенных металлических материалах.
4. Применение методов позитронной аннигиляционной спектрометрии для контроля и анализа дефектной структуры гетерогенных металлических материалов в процессах их синтеза и при различных физических воздействиях.
Научная новизна. Результаты, представленные в диссертационной работе, вносят значительный вклад в развитие научных основ применения ПАС для исследования и контроля ГММ. В частности, впервые:
1. Создана и апробирована методика изготовления источника позитронов на основе изотопа 64Cu для in situ анализа дефектной структуры твердых тел методами ПАС при термическом и водородном воздействии.
2. Проведен анализ импульсного и временного распределения аннигиляции позитронов в титановых изделиях, изготовленных методом селективного электронно-лучевого сплавления (СЭЛС) при различных параметрах. Показано, что преимущественными центрами захвата позитронов в данных изделиях являются дислокации и тетравакансии.
3. По результатам анализа импульсного распределения аннигиляции позитронов переменной энергии в металлических наноразмерных многослойных системах (НМС) Zr/Nb с толщиной индивидуальных слоев от 10 до 100 нм до и после облучения ионами гелия и протонами, а также первопринципного моделирования, установлено, что превалирующим центром захвата позитронов в них являются области с пониженной электронной плотностью на границах раздела в приграничных атомных слоях циркония.
Теоретическая значимость работы. Результаты первопринципного моделирования в рамках теории функционала электронной плотности атомной структуры НМС Zr/Nb вблизи границ раздела хорошо согласуются с экспериментальными данными, полученными методами позитронной аннигиляционной спектрометрии. В рамках рассмотренной модели показано, что на границах раздела Zr/Nb имеются значительные смещения атомов из узлов решетки циркония в направлении границы. За счет этого формируются области с пониженной электронной плотностью, способные эффективно захватывать позитроны. Полученные результаты имеют большое значение при изучении закономерностей эволюции дефектов в объеме и вблизи границ раздела наноразмерных металлических многослойных покрытий, а также позволяют изучать явления, связанные с диффузией дефектов и накоплением внедренных ионов в данных материалах.
Практическая значимость. Совокупность полученных теоретических и экспериментальных данных расширяет представления о формировании, дефектообразовании, изменении структуры и свойств гомогенных и гетерогенных металлических материалов при облучении и накоплении водорода. Показано, что методы ПАС являются эффективными инструментами контроля и анализа дефектной структуры современных и перспективных материалов, особенно при использовании комплексного подхода и применении пучков позитронов переменной энергии. Методами ПАС с применением пучков позитронов переменной энергии получены экспериментальные данные, свидетельствующие о том, что в НМС Zr/Nb не наблюдается накопление радиационных дефектов при облучении протонами с флюенсом от 3,4-1015 до 3,4-1016 ион/см2, и их микроструктура устойчива при облучении ионами гелия до 2-1017 ион/см2 при различной локализации радиационных повреждений. Радиационная стойкость наноразмерных металлических многослойных систем на основе ГПУ/ОЦК повышается за счет образования некогерентных границ раздела, являющихся стоком радиационных дефектов.
Результаты, полученные в рамках диссертационной работы, используются в научно-образовательном процессе Отделения экспериментальной физики Инженерной школы ядерных технологий ТПУ при подготовке бакалавров, магистров и преподавателей-исследователей по профилю «Физика конденсированного состояния».
Методология и методы исследования. В диссертационном исследовании представлены результаты анализа микроструктурных изменений в гетерогенных металлических материалах при водородных и радиационных воздействиях. Для получения экспериментальных образцов ГММ использовались методы селективного электронно-лучевого сплавления (СЭЛС), интенсивной пластической деформации (ИПД), плавления в плазме аномального тлеющего разряда (ПАТР), воздействия импульсным электронным пучком (ИЭП), плазменно-иммерсионной ионной имплантации (ПИИИ) и осаждения методом магнетронного распыления (МР). Дефектная структура материалов характеризовалась с помощью следующих методов позитронной аннигиляционной спектрометрии: спектрометрия временного распределения аннигиляции
позитронов (ВРАП), спектрометрия доплеровского уширения аннигиляционной линии (ДУАЛ), в том числе с применением режима совпадений (СДУАЛ) и in situ анализа ДУАЛ, а также пучков позитронов переменной энергии. Дополнительно использовались методы просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), в том числе высокого разрешения (ПЭМ-ВР) и рентгеноструктурный анализ (РСА). Расчеты профиля распределения ионов и дефектов после облучения выполнены в программном пакете SRIM-2013. Абсолютное содержание водорода измерялось методом плавления в инертной атмосфере. Для моделирования в рамках теории функционала плотности использовалось программное обеспечение ABINIT. При этом был применен оптимизированный нормосохраняющий псевдопотенциал Вандербильта, а для учета корреляционных и обменных взаимодействий использовалось обобщенное градиентное приближение в формулировке Пердью — Бурке — Эрнцерхофа.
Положения, выносимые на защиту:
1. Источник позитронов на основе изотопа 64Cu и методика спектрометрии доплеровского уширения аннигиляционной линии на его основе для in situ контроля и анализа дефектов в гомогенных и гетерогенных металлических материалах при термических и водородных воздействиях.
2. Аппаратно-программный комплекс позитронной аннигиляционной спектрометрии, обеспечивающий контроль и анализ дефектной структуры гомогенных и гетерогенных металлических материалов при термических и водородных воздействиях, в режиме ex situ с использованием источника позитронов на основе изотопа 44Ti и в режиме in situ с источником позитронов на основе изотопа 64Cu.
3. Основанная на сравнительном анализе импульсного и временного распределения аннигиляции позитронов методика позитронной аннигиляционной спектрометрии для идентификации различных типов дефектов, включая примесно- вакансионные в гомогенных и гетерогенных металлических материалах .
4. Результаты определения основных типов дефектов и их концентрации в зависимости от тока селективного электронно-лучевого сплавления и содержания водорода в диапазоне от 0,047 до 0,090 мас.% в изделиях из титанового сплава Ti-6Al-4V на основе анализа импульсного и временного распределения аннигиляции позитронов.
5. Импульсное распределение аннигиляции позитронов переменной энергии в наноразмерных металлических многослойных системах Zr/Nb до и после облучения ионами гелия или протонами, в сочетании с результатами первопринципного моделирования распределения электронной плотности, свидетельствует о наличии единого превалирующего центра захвата позитронов и его стабильности при различной локализации вакансионных и примесно- вакансионных дефектов.
Апробация работы. Основные результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на следующих конференциях, симпозиумах и конгрессах: Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (Томск, 2015, 2018, 2019, 2020, 2021, 2022), International Conference on Positron Annihilation (Ухань, 2015), International Conference on Diffusion in Solids and Liquids (Сплит, 2016), International Workshop on Positron and Positronium Chemistry (Люблин, 2017), International Workshop on Positron Studies of Defects (Дрезден, 2017), International conference «Additive Manufacturing in Aerospace» (Бремен, 2018), International Symposium Additive Manufacturing (Дрезден, 2019), Международная конференция «Современные направления и перспективы развития технологий обработки и оборудования в машиностроении» (Севастополь, 2019), International Workshop on Slow Positron Beam Techniques and Applications (Прага, 2019), Международная научно-техническая конференция «Перспективные материалы конструкционного и функционального назначения» (Томск, 2020), Международная конференция «Физическая мезомеханика. Материалы с многоуровневой иерархически организованной структурой и интеллектуальные производственные технологии» (Томск, 2020), Всероссийская научно-практическая конференция «Водород. Технологии. Будущее» (Томск, 2020, 2021), International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (Томск, 2020, 2022), Международная научно-техническая конференция «Современные проблемы машиностроения» (Томск, 2021, 2022), Международная научная конференция молодых ученых, аспирантов и студентов «Изотопы: технологии, материалы и применение» (Томск, 2021), Международная конференция «Взаимодействие излучений с твердым телом» (Минск, 2021, 2023), International conference «Multiscale Phenomena in Condensed Matter - conference for young researchers» (Краков, 2021), Международная Тулиновская конференция по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва, 2021).
Степень достоверности полученных результатов. Достоверность результатов диссертационного исследования обеспечивается комплексным подходом к оценке микроструктурных изменений и дефектов в гетерогенных металлических материалах под воздействием водорода и радиации, основанным на первопринципном моделировании и экспериментальных данных. В работе использовались методы позитронной аннигиляционной спектрометрии, включая послойный анализ с использованием пучков позитронов переменной энергией и in situ анализ, которые дополняются данными, полученными с помощью современного аналитического оборудования, применяемого в физике конденсированного состояния.
....
Степень разработанности темы исследования. Перспективными методами контроля и анализа дефектной структуры гетерогенных металлических материалов при облучении или накоплении водорода, позволяющими исследовать механизмы и динамику эволюции дефектов различной размерности в широком диапазоне концентраций, являются методы позитронной аннигиляционной спектрометрии (ПАС) [18-25]. Исследование временного распределения аннигиляции позитронов (ВРАП) позволяет определить тип и размер дефектов, а также их содержание, в то время как спектрометрия совпадений доплеровского уширения аннигиляционной линии (СДУАЛ) дает возможность наблюдать фазовые превращения и анализировать химическое окружение в местах аннигиляции [14]. Использование пучков позитронов переменной энергии или специализированных методик послойного анализа ПАС позволяет установить распределение данных дефектов по глубине. Таким образом, методы ПАС позволяют не только в полной мере характеризовать внутреннюю дефектную структуру гетерогенных металлических материалов до и после радиационных и водородных повреждений, но и изучать их эволюцию, в том числе непосредственно в условиях воздействия, при наличии соответствующих аппаратурных и методологических решений.
Целью данной работы является разработка аппаратно-программного и методологического обеспечения применения позитронной аннигиляционной спектрометрии для контроля и анализа дефектной структуры гомогенных и гетерогенных материалов при различных физических воздействиях.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
1. Разработка источника позитронов и специализированной методики для контроля и анализа дефектной структуры материалов методами позитронной аннигиляционной спектрометрии в режиме in situ при термических и водородных воздействиях.
2. Разработка аппаратно-программного комплекса для in situ и ex situ анализа дефектной структуры гомогенных и гетерогенных металлических материалов методами позитронной аннигиляционной спектрометрии при термических и водородных воздействиях.
3. Разработка методики позитронной аннигиляционной спектрометрии, позволяющей идентифицировать различные типы дефектов (включая примесно- вакансионные) в гомогенных и гетерогенных металлических материалах.
4. Применение методов позитронной аннигиляционной спектрометрии для контроля и анализа дефектной структуры гетерогенных металлических материалов в процессах их синтеза и при различных физических воздействиях.
Научная новизна. Результаты, представленные в диссертационной работе, вносят значительный вклад в развитие научных основ применения ПАС для исследования и контроля ГММ. В частности, впервые:
1. Создана и апробирована методика изготовления источника позитронов на основе изотопа 64Cu для in situ анализа дефектной структуры твердых тел методами ПАС при термическом и водородном воздействии.
2. Проведен анализ импульсного и временного распределения аннигиляции позитронов в титановых изделиях, изготовленных методом селективного электронно-лучевого сплавления (СЭЛС) при различных параметрах. Показано, что преимущественными центрами захвата позитронов в данных изделиях являются дислокации и тетравакансии.
3. По результатам анализа импульсного распределения аннигиляции позитронов переменной энергии в металлических наноразмерных многослойных системах (НМС) Zr/Nb с толщиной индивидуальных слоев от 10 до 100 нм до и после облучения ионами гелия и протонами, а также первопринципного моделирования, установлено, что превалирующим центром захвата позитронов в них являются области с пониженной электронной плотностью на границах раздела в приграничных атомных слоях циркония.
Теоретическая значимость работы. Результаты первопринципного моделирования в рамках теории функционала электронной плотности атомной структуры НМС Zr/Nb вблизи границ раздела хорошо согласуются с экспериментальными данными, полученными методами позитронной аннигиляционной спектрометрии. В рамках рассмотренной модели показано, что на границах раздела Zr/Nb имеются значительные смещения атомов из узлов решетки циркония в направлении границы. За счет этого формируются области с пониженной электронной плотностью, способные эффективно захватывать позитроны. Полученные результаты имеют большое значение при изучении закономерностей эволюции дефектов в объеме и вблизи границ раздела наноразмерных металлических многослойных покрытий, а также позволяют изучать явления, связанные с диффузией дефектов и накоплением внедренных ионов в данных материалах.
Практическая значимость. Совокупность полученных теоретических и экспериментальных данных расширяет представления о формировании, дефектообразовании, изменении структуры и свойств гомогенных и гетерогенных металлических материалов при облучении и накоплении водорода. Показано, что методы ПАС являются эффективными инструментами контроля и анализа дефектной структуры современных и перспективных материалов, особенно при использовании комплексного подхода и применении пучков позитронов переменной энергии. Методами ПАС с применением пучков позитронов переменной энергии получены экспериментальные данные, свидетельствующие о том, что в НМС Zr/Nb не наблюдается накопление радиационных дефектов при облучении протонами с флюенсом от 3,4-1015 до 3,4-1016 ион/см2, и их микроструктура устойчива при облучении ионами гелия до 2-1017 ион/см2 при различной локализации радиационных повреждений. Радиационная стойкость наноразмерных металлических многослойных систем на основе ГПУ/ОЦК повышается за счет образования некогерентных границ раздела, являющихся стоком радиационных дефектов.
Результаты, полученные в рамках диссертационной работы, используются в научно-образовательном процессе Отделения экспериментальной физики Инженерной школы ядерных технологий ТПУ при подготовке бакалавров, магистров и преподавателей-исследователей по профилю «Физика конденсированного состояния».
Методология и методы исследования. В диссертационном исследовании представлены результаты анализа микроструктурных изменений в гетерогенных металлических материалах при водородных и радиационных воздействиях. Для получения экспериментальных образцов ГММ использовались методы селективного электронно-лучевого сплавления (СЭЛС), интенсивной пластической деформации (ИПД), плавления в плазме аномального тлеющего разряда (ПАТР), воздействия импульсным электронным пучком (ИЭП), плазменно-иммерсионной ионной имплантации (ПИИИ) и осаждения методом магнетронного распыления (МР). Дефектная структура материалов характеризовалась с помощью следующих методов позитронной аннигиляционной спектрометрии: спектрометрия временного распределения аннигиляции
позитронов (ВРАП), спектрометрия доплеровского уширения аннигиляционной линии (ДУАЛ), в том числе с применением режима совпадений (СДУАЛ) и in situ анализа ДУАЛ, а также пучков позитронов переменной энергии. Дополнительно использовались методы просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), в том числе высокого разрешения (ПЭМ-ВР) и рентгеноструктурный анализ (РСА). Расчеты профиля распределения ионов и дефектов после облучения выполнены в программном пакете SRIM-2013. Абсолютное содержание водорода измерялось методом плавления в инертной атмосфере. Для моделирования в рамках теории функционала плотности использовалось программное обеспечение ABINIT. При этом был применен оптимизированный нормосохраняющий псевдопотенциал Вандербильта, а для учета корреляционных и обменных взаимодействий использовалось обобщенное градиентное приближение в формулировке Пердью — Бурке — Эрнцерхофа.
Положения, выносимые на защиту:
1. Источник позитронов на основе изотопа 64Cu и методика спектрометрии доплеровского уширения аннигиляционной линии на его основе для in situ контроля и анализа дефектов в гомогенных и гетерогенных металлических материалах при термических и водородных воздействиях.
2. Аппаратно-программный комплекс позитронной аннигиляционной спектрометрии, обеспечивающий контроль и анализ дефектной структуры гомогенных и гетерогенных металлических материалов при термических и водородных воздействиях, в режиме ex situ с использованием источника позитронов на основе изотопа 44Ti и в режиме in situ с источником позитронов на основе изотопа 64Cu.
3. Основанная на сравнительном анализе импульсного и временного распределения аннигиляции позитронов методика позитронной аннигиляционной спектрометрии для идентификации различных типов дефектов, включая примесно- вакансионные в гомогенных и гетерогенных металлических материалах .
4. Результаты определения основных типов дефектов и их концентрации в зависимости от тока селективного электронно-лучевого сплавления и содержания водорода в диапазоне от 0,047 до 0,090 мас.% в изделиях из титанового сплава Ti-6Al-4V на основе анализа импульсного и временного распределения аннигиляции позитронов.
5. Импульсное распределение аннигиляции позитронов переменной энергии в наноразмерных металлических многослойных системах Zr/Nb до и после облучения ионами гелия или протонами, в сочетании с результатами первопринципного моделирования распределения электронной плотности, свидетельствует о наличии единого превалирующего центра захвата позитронов и его стабильности при различной локализации вакансионных и примесно- вакансионных дефектов.
Апробация работы. Основные результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на следующих конференциях, симпозиумах и конгрессах: Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (Томск, 2015, 2018, 2019, 2020, 2021, 2022), International Conference on Positron Annihilation (Ухань, 2015), International Conference on Diffusion in Solids and Liquids (Сплит, 2016), International Workshop on Positron and Positronium Chemistry (Люблин, 2017), International Workshop on Positron Studies of Defects (Дрезден, 2017), International conference «Additive Manufacturing in Aerospace» (Бремен, 2018), International Symposium Additive Manufacturing (Дрезден, 2019), Международная конференция «Современные направления и перспективы развития технологий обработки и оборудования в машиностроении» (Севастополь, 2019), International Workshop on Slow Positron Beam Techniques and Applications (Прага, 2019), Международная научно-техническая конференция «Перспективные материалы конструкционного и функционального назначения» (Томск, 2020), Международная конференция «Физическая мезомеханика. Материалы с многоуровневой иерархически организованной структурой и интеллектуальные производственные технологии» (Томск, 2020), Всероссийская научно-практическая конференция «Водород. Технологии. Будущее» (Томск, 2020, 2021), International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (Томск, 2020, 2022), Международная научно-техническая конференция «Современные проблемы машиностроения» (Томск, 2021, 2022), Международная научная конференция молодых ученых, аспирантов и студентов «Изотопы: технологии, материалы и применение» (Томск, 2021), Международная конференция «Взаимодействие излучений с твердым телом» (Минск, 2021, 2023), International conference «Multiscale Phenomena in Condensed Matter - conference for young researchers» (Краков, 2021), Международная Тулиновская конференция по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва, 2021).
Степень достоверности полученных результатов. Достоверность результатов диссертационного исследования обеспечивается комплексным подходом к оценке микроструктурных изменений и дефектов в гетерогенных металлических материалах под воздействием водорода и радиации, основанным на первопринципном моделировании и экспериментальных данных. В работе использовались методы позитронной аннигиляционной спектрометрии, включая послойный анализ с использованием пучков позитронов переменной энергией и in situ анализ, которые дополняются данными, полученными с помощью современного аналитического оборудования, применяемого в физике конденсированного состояния.
....
Совокупность представленных результатов диссертационного исследования является решением актуальной научно-технической проблемы - развития и совершенствования методов позитронной аннигиляционной спектрометрии для контроля и анализа дефектной структуры гетерогенных металлических материалов в процессе их изготовления, а также при водородных и радиационных воздействиях. Полученные данные имеют важное практическое значение при разработке перспективных конструкционных и функциональных материалов и способов их производства.
Основные результаты диссертационной работы:
1. Созданы источник позитронов на основе изотопа 64Cu и методика in situ спектрометрии доплеровского уширения аннигиляционной линии на его основе для контроля и анализа дефектов в гомогенных и гетерогенных металлических материалах при термических и водородных воздействиях.
2. Разработан комплекс для ex situ и in situ контроля и анализа дефектной структуры гомогенных и гетерогенных металлических материалов методами позитронной аннигиляционной спектрометрии при термических (до 900 °C) и водородных воздействиях (до 5 МПа Н2). В ex situ режиме, с использованием источника позитронов на основе изотопа 44Ti с активностью 1,38 МБк, достигнуты высокие скорости счета для модуля ВРАП (185 ± 8) соб./с и для модуля СДУАЛ (145 ± 27) соб./с, а временное и энергетическое разрешение модулей составило (224 ± 3) пс и (1 ,2 ± 0,1) кэВ, соответственно.
3. Разработана методика контроля и анализа, позволяющая эффективно идентифицировать и разделять вакансионные и примесно-вакансионные дефекты в гомогенных и гетерогенных металлических материалах, на основе сравнительного анализа импульсного и временного распределения аннигиляции позитронов .
4. Методами ПАС установлено, что дефектная структура изделий из сплава Ti-6Al-4V, изготовленных методом СЭЛС, характеризуется наличием
дислокаций, тетравакансий и наноразмерных кластеров (Ti-Ti-Al). Уменьшение тока сплавления до 13 мА позволяет формировать изделия с низким содержанием дефектов. Наводороживание данных изделий до концентрации 0,09 мас.% приводит к формированию водород-вакансионных комплексов (V-1H), при этом превалирующим типом дефектов остаются дислокации. Увеличение содержания водорода от 0,047 до 0,09 мас.% приводит к увеличению плотности дислокаций и концентрации водород-вакансионных комплексов V-1H в диапазоне (19:72) 10|3м-2 и (0,015 ^ 0,023) ppm соответственно.
5. Анализ структурно-фазового состояния и дефектов показал, что при флюенсе протонного облучения от 3,4*1015 до 3,4*1016 ион/см2 НМС Zr/Nb, с толщиной индивидуальных слоев от 10 до 100 нм при различной локализации радиационных повреждений, возникают преимущественно растягивающие латеральные напряжения. При этом микроструктура изменяется незначительно, а степень дефектности (S параметр ДУАЛ) остается на том же уровне или снижается. Превалирующий центр захвата позитронов при этом не изменяется.
6. Методами ПАС показано, что облучение НМС Zr/Nb с толщиной индивидуальных слоев 25 и 100 нм ионами гелия с флюенсом до 1017 ион/см2 не вызывает существенного увеличения параметра S и снижения параметра W по сравнению с исходным уровнем. Однако профили распределения данных параметров по глубине для НМС Zr/Nb с разной толщиной слоев значительно различаются из-за особенностей локализации имплантированных ионов в объеме слоев и около границ раздела.
7. Первопринципное моделирование показало, что на границе раздела НМС Zr/Nb происходит существенное смещение атомов циркония в сторону границы раздела, что вызывает накопление напряжений, при этом формируются области с пониженной электронной плотностью, которые являются основными центрами захвата позитронов в НМС до и после облучения протонами или ионами гелия.
Основные результаты диссертационной работы:
1. Созданы источник позитронов на основе изотопа 64Cu и методика in situ спектрометрии доплеровского уширения аннигиляционной линии на его основе для контроля и анализа дефектов в гомогенных и гетерогенных металлических материалах при термических и водородных воздействиях.
2. Разработан комплекс для ex situ и in situ контроля и анализа дефектной структуры гомогенных и гетерогенных металлических материалов методами позитронной аннигиляционной спектрометрии при термических (до 900 °C) и водородных воздействиях (до 5 МПа Н2). В ex situ режиме, с использованием источника позитронов на основе изотопа 44Ti с активностью 1,38 МБк, достигнуты высокие скорости счета для модуля ВРАП (185 ± 8) соб./с и для модуля СДУАЛ (145 ± 27) соб./с, а временное и энергетическое разрешение модулей составило (224 ± 3) пс и (1 ,2 ± 0,1) кэВ, соответственно.
3. Разработана методика контроля и анализа, позволяющая эффективно идентифицировать и разделять вакансионные и примесно-вакансионные дефекты в гомогенных и гетерогенных металлических материалах, на основе сравнительного анализа импульсного и временного распределения аннигиляции позитронов .
4. Методами ПАС установлено, что дефектная структура изделий из сплава Ti-6Al-4V, изготовленных методом СЭЛС, характеризуется наличием
дислокаций, тетравакансий и наноразмерных кластеров (Ti-Ti-Al). Уменьшение тока сплавления до 13 мА позволяет формировать изделия с низким содержанием дефектов. Наводороживание данных изделий до концентрации 0,09 мас.% приводит к формированию водород-вакансионных комплексов (V-1H), при этом превалирующим типом дефектов остаются дислокации. Увеличение содержания водорода от 0,047 до 0,09 мас.% приводит к увеличению плотности дислокаций и концентрации водород-вакансионных комплексов V-1H в диапазоне (19:72) 10|3м-2 и (0,015 ^ 0,023) ppm соответственно.
5. Анализ структурно-фазового состояния и дефектов показал, что при флюенсе протонного облучения от 3,4*1015 до 3,4*1016 ион/см2 НМС Zr/Nb, с толщиной индивидуальных слоев от 10 до 100 нм при различной локализации радиационных повреждений, возникают преимущественно растягивающие латеральные напряжения. При этом микроструктура изменяется незначительно, а степень дефектности (S параметр ДУАЛ) остается на том же уровне или снижается. Превалирующий центр захвата позитронов при этом не изменяется.
6. Методами ПАС показано, что облучение НМС Zr/Nb с толщиной индивидуальных слоев 25 и 100 нм ионами гелия с флюенсом до 1017 ион/см2 не вызывает существенного увеличения параметра S и снижения параметра W по сравнению с исходным уровнем. Однако профили распределения данных параметров по глубине для НМС Zr/Nb с разной толщиной слоев значительно различаются из-за особенностей локализации имплантированных ионов в объеме слоев и около границ раздела.
7. Первопринципное моделирование показало, что на границе раздела НМС Zr/Nb происходит существенное смещение атомов циркония в сторону границы раздела, что вызывает накопление напряжений, при этом формируются области с пониженной электронной плотностью, которые являются основными центрами захвата позитронов в НМС до и после облучения протонами или ионами гелия.