含氦Ti膜及TiY合金膜中氦的热解吸行为研究

【作者】 张金朝； 熊良银； 刘实；

【机构】 中国科学院金属研究所；

【摘要】 材料中因辐照或衰变产生的氦,基本不溶于任何基体,其扩散激活能非常小,通常扩散至空位和晶界等缺陷处,氦在扩散过程中易于聚集形成氦泡,最终导致材料宏观性能衰减。因此,研究氦在金属材料中的捕陷形式及存在行为具有重要实际意义。采用He/Ar复合气氛下磁控溅射的方法,向Ti、Ti₂Y和Ti₆Y薄膜中引入不同浓度的He,最高He含量（氦-金属比）达到约0.19。利用真空热解吸分析方法对样品进行线性加热,升温速率为1℃/s,最高温度达到1500℃,获得He的热解吸谱（TDS）。研究发现:（1）含氦Ti膜和TiY合金膜均在100℃和450℃、700℃-800℃、1000℃-1450℃处出现明显的氦释放峰,分析表明,这三个解吸温区分别对应He在材料中的不同存在状态,即低温区与样品表层吸附的氦及样品中的自由氦原子（间隙氦原子和空位氦原子）有关;中温区的氦释放主要来源于样品早期形成的氦泡;高温区则与晶界、位错等大尺寸缺陷处（或晶内）不断形成的氦团簇和氦泡的释放有关。样品中氦含量较低时,中温区的氦释放不明显。随着氦含量增加,高温区释放峰温度有所降低。（2）与纯Ti膜相比,TiY合金膜中、高温区的氦释放峰温度均向高温方向偏移,说明元素Y的加入一定程度上减缓了合金中氦的释放,这可能与Y在钛合金中的偏聚行为有关。（3）含氦Ti6Y合金膜经900℃热处理40min,样品中的自由氦原子趋向于形成氦泡,其热解吸谱只存在高温区的氦泡释放峰;经600℃热处理40min,低温区释放峰消失,但中、高温区的氦释放量明显少于900℃热处理过程。预测存在某个临界温度T⁰,t<T⁰时,材料中的自由氦原子以向外扩散释放为主;t>T⁰时,材料中的自由氦原子向晶界、位错等缺陷聚集形成氦泡占主导地位。更多还原