Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Основные физические процессы на поверхности и в приповерхностных слоях внутренних элементов электронных приборов при воздействии электронов, ионов и атомных частиц 9
1.1. Взаимодействие электронов, ионов и атомных частиц с твердым телом 9
1.2. Механизмы захвата, реэмиссии и проблемы гелия и других газов в материалах 28
Выводы к главе 1 45
Глава 2. Техника эксперимента 48
2.1. Особенности получения образцов для исследования 48
2.2. Методы исследования диффузии активных компонентов системы [Cu+(Cu-BaO-Li20)+Cu], ее состава и структуры 51
2.3. Методы исследования влияния алюминия и титана (элементы замещения) на поведение ионно-внедренного гелия в модельных сплавах на основе никеля (сплавы систем Ni-Al, Ni-Ti) 55
Выводы к главе 2 62
Глава 3. Физические процессы, связанные с изменением состава и структуры поверхности и приповерхностных слоев многокомпонентных материалов под воздействием электронной, ионной бомбардировки и ускоренных частиц 63
3.1. Исследование повреждения многокомпонентных материалов 63
3.1.1. Повреждение материалов под воздействием электронной и ионной бомбардировки, их поверхностная топография 64
3.1.2. Эффекты, обусловленные начальными неоднородностями поверхности 68
3. 1.3. Эффекты радиационного повреждения 73
3.1.4. Радиационное шелушение „..75
3.1.5. Эмиссионная способность многокомпонентных материалов с металлической пленкой 80
3.2. Изучение механизма диффузионных процессов в многокомпонентных материалах с металлической пленкой 89
3.2.1. Диффузия бария композиции Cu-BaO-Li20 в медное покрытие системы [(Cu-BaO-Li20)+Cu] 92
3.2.2. Механизм диффузии активных компонентов в медное покрытие системы [(Cu-BaO-Li20)+Cu] 94
3.3. Исследование состава и структуры поверхности и приповерхностных слоев системы [Cu+(Cu-BaO-Li20)+Me] под радиационным воздействием 96
Выводы к главе 3 103
Глава 4. Поведение гелия и развитие газовой пористости в сплавах никеля 106
4.1. Влияние легирования на развитие гелиевой пористости 106
4.2. Захват и выделение ионно-внедренного гелия 111
4.3. Обсуждение результатов 113
Выводы к главе 4 116
Общие выводы 119
Список литературы
- Механизмы захвата, реэмиссии и проблемы гелия и других газов в материалах
- Методы исследования влияния алюминия и титана (элементы замещения) на поведение ионно-внедренного гелия в модельных сплавах на основе никеля (сплавы систем Ni-Al, Ni-Ti)
- Повреждение материалов под воздействием электронной и ионной бомбардировки, их поверхностная топография
- Захват и выделение ионно-внедренного гелия
Введение к работе
В электронной и радиоэлектронной промышленности всегда существует проблема повышения долговечности и надежности приборов и электронных компонентов. Ограничение срока службы электронных приборов (вакуумных, газоразрядных, квантовых и др.) во многом определяется процессами, проходящими на поверхности внутри приборных элементов и в их приповерхностных слоях под воздействием высокоинтенсивных потоков электронов, ионов и атомных частиц, которые образуются во время работы рассматриваемых приборов.
Таким образом, важность изучения данных процессов связана не только с фундаментальными задачами (с исследованием физических, физико-химических процессов, протекающих на поверхности и в приповерхностных слоях твердого тела под радиационным воздействием высокоинтенсивных заряженных и нейтральных частиц, в условиях, близких к реальным в работающем изделии.), но и с практической потребностью - долговечностью, надежностью и работоспособностью приборов Выявление закономерностей взаимодействия заряженных и ускоренных частиц с элементами приборов (с твердым телом) позволяет использовать их как для борьбы с нежелательными явлениями, так и для управления физическими процессами с целью повышения качества и долговечности изделия.
Особенно важно знать информацию об изменении состава и структуры поверхности многокомпонентных систем, например, металлооксидных со стабилизирующей металлической пленкой, механизм диффузии и адсорбции, глубину проникновения частиц и энергии при достаточно мощном воздействии.
Взаимодействие атомных частиц с твердым телом с точки зрения стимулирования эмиссионных явлений приводит к различным результатам в зависимости от наличия и величины потенциальной или кинетической энергии у частиц. Очень медленные атомные частицы с энергиями от тепловой до нескольких электронвольт, но обладающие запасом потенциальной энергии
(возбужденные или ионизованные атомы), могут при определенных условиях вызывать "потенциальную" электронную эмиссия. При адсорбции медленных частиц поверхностью возможна ионизация и эмиссия их с поверхности.
Начиная с энергии Ер = 10 эВ и выше, атомные частицы могут нарушать
структуру наружного слоя кристаллической решетки, стимулируя эмиссию атомов мишени с поверхности. При более высоких энергиях падающих частиц происходит их проникновение вглубь твердого тела. Глубина проникновения увеличивается с ростом энергии частицы. При этом быстрые частицы возмущают внешние электронные оболочки близлежащих атомов, следствием чего может явиться "кинетическая" электронная эмиссия. Соударяясь и взаимодействуя на своем пути с атомами кристаллической решетки, проникающие частицы передают им часть своей энергии, и могут выбивать атомы с их мест в решетке. Последнее явление может иметь следствием, в частности, эмиссию атомов мишени с поверхности тела, именуемую обычно ионным распылением мишени,
Кроме того, энергия, передаваемая при взаимодействии ВИ с твердым телом, может вызывать сложные термические и нетермические физические и физико-химические процессы, и, соответственно, быть использована в технологических процессах изготовления деталей и узлов приборов.
Общие явления, вызываемые взаимодействием высокоинтенсивных заряженных и нейтральных частиц с твердым телом, их радиационным и тепловым воздействием, к настоящему времени достаточно хорошо изучены и нашли отражение в ряде монографий. Однако, в литературе практически отсутствуют сведения о таком взаимодействии во время работы рассматриваемых изделий с материалами, используемыми для их изготовления, о результатах их радиационного воздействия на поверхность и приповерхностные слои.
Поэтому в диссертационной работе была поставлена цель:
изучить закономерность диффузионных процессов в катодных композиционных материалах на основе меди, покрытых металлической
6 пленкой, под воздействием электронной и ионной бомбардировки и связанным с этим тепловым воздействием, закономерность изменения состава и структуры их поверхности и приповерхностных слоев в результате взаимодействия высокоинтенсивных электронов и ионов с данным материалом, а также изучить влияние примесей, легирующих элементов и структурно-фазового состояния на поведение газов в конструкционных материалах.
Для достижения данной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Обобщить результаты собственных исследований по
взаимодействию ВИ с различными материалами, используемых для
изготовления приборов, с известными данными применительно к требованиям,
которые возникают при разработке конструкций и технологий изготовления
приборов, элементов конструкций, в частности, катодов, определить роль
процессов, происходящих на поверхности и в приповерхностных слоях, на
функциональность и работоспособность исследуемых материалов.
2. Изучить физические и физико-химические процессы, проходящие на
поверхности и в приповерхностных слоях твердого тела под радиационным
воздействием высокоинтенсивных заряженных и нейтральных частиц, под
высокоинтенсивным излучением (ВИ) в условиях, близких к реальным в
работающем электронном приборе, а именно:
- исследовать механизм диффузионных процессов в низкотемпературных
металлооксидных катодных материалах под воздействием электронной, ионной
бомбардировки и тепловым воздействием;
- исследовать закономерности изменения состава и структуры
поверхности и приповерхностных слоев низкотемпературных металлооксидных
катодных материалов под воздействием электронной бомбардировки.
3. Изучить поведение внедренных атомов инертных газов на примере
гелия в никеле и его сплавах (Ni-Al, Ni-Ti) по результатам собственных
исследований и литературным данным.
Научная новизна данной диссертационной работы состоит в том, что проведено комплексное изучение физических и физико-химических процессов, происходящих на поверхности и в приповерхностных слоях катодных композиционных материалов на основе меди, покрытых металлической пленкой, под радиационным воздействием высокоинтенсивных заряженных и нейтральных частиц в условиях, близких реальному применению. Исследован впервые механизм диффузионных процессов в низкотемпературных металлооксидных катодных материалах под воздействием электронной бомбардировки. Выявлен характер и закономерности изменения состава и структуры поверхности и приповерхностных слоев низкотемпературного композиционного металлооксидного катодного материала Cu-BaO-Li20 со
стабилизирующей металлической пленкой.
Практическая ценность работы заключается в том, что ее научные результаты могут быть использованы:
для разработки и технологии изготовления, активирования соответствующих катодных и конструкционных материалов;
- для создания научных основ разработки новых катодных и
конструкционных материалов;
- в учебном образовательном процессе в ряде институтов и университетов
(МГТУ, МИРЭА, МИЭМ и др.).
Основные научные результаты, выносимые на защиту:
1. Механизм диффузионных процессов в многокомпонентных материалах
с металлической пленкой под воздействием электронной и ионной
бомбардировки.
2. Характер и закономерности изменения состава и структуры
поверхности и приповерхностных слоев композиционной системы [Cu+(Cu-
BaO-Li20)+Cu] под воздействием электронной и ионной бомбардировки.
3. Характер и закономерности поведения внедренных атомов инертных
газов на примере гелия в никеле и его сплавах (Ni-Al и Ni-Ti).
Апробация работы и публикации.
Апробация работы прошла на Международной научно-практической
конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного
приборостроения», INTERMATIC - 2003, 9-12 июня 2003 г., Москва; 51-й
научно-технической конференции МИРЭА, 13-20 мая 2002 г.;
XIII Международном совещании «Радиационная физика твердого тела», июня
2003 г., Севастополь; Международной научно-практической конференции
«Межфазная релаксация в полиматериалах», ПОЛИМАТЕРИАЛЫ-2003,
25-29 ноября 2003 г., Москва; Международной научно-практической
конференции «Межфазная релаксация в полиматериалах»,
ПОЛИМАТЕРИАЛЫ-2003, 25-29 ноября 2003 г., Москва; Международной конференции UNESCO «Участие молодых ученых, инженеров и педагогов в разработке и реализации инновационных технологий», 24-28 ноября 2003 г., Москва; научной сессии МИФИ - 2004 к 100 - летию П.А. Черенкова, Региональной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Прогрессивные технологии, конструкции и системы в приборо- и машиностроении» (Калуга, 2004), Всероссийской научно-технической конференции "Прогрессивные технологии, конструкции и системы в приборо- и машиностроении", посвященной 175-летию МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 2004.
Материалы диссертации изложены в 9-ти научных печатных работах, из них три выполнены самостоятельно и опубликованы без соавторов.
Личный вклад автора. Автору принадлежит конкретизация решаемых задач, определение методов и подходов к решению поставленных задач, их экспериментальные исследования. Обработка и обобщение полученных результатов.
Механизмы захвата, реэмиссии и проблемы гелия и других газов в материалах
Когда энергетический ион налетает на поверхность, имеется некоторая вероятность того, что он проникает внутрь поверхности и замедляется до тепловых энергий или будут рассеян в обратном направлении с поверхности с заметной долей начальной энергии. Обратное рассеяние уже обсуждалось в 1.1; теперь необходимо рассмотреть судьбу тех ионов, которые подверглись начальному захвату. Термин «начальный захват» использован преднамеренно, так как те ионы, которые подверглись захвату, могут впоследствии освободиться в результате ряда процессов, которые называются коллективным термином «реэмиссия».
Эффективность захвата ускоренных ионов поверхностями твердого тела характеризуется коэффициентом поглощения (коэффициентом захвата) 7} -отношением числа атомов, поглощенных мишенью, к числу падающих (бомбардирующих) ионов. к\ всегда меньше единицы, поскольку не все бомбардирующие катод ионы захватываются.
В большинстве работ количество захваченного при ионной бомбардировке газа определялось с помощью его десорбции при нагреве мишени. Пример такой методики и полученные результаты описаны в литературе [2,10].
Для различных комбинаций газа с металлом были построены зависимости уровней насыщения (максимального числа десорбированных частиц) от энергии бомбардирующих ионов (рис. 1.3).
Из рис. 1.3 видно, что для любого из пяти сочетаний газа с металлом уровень насыщения прямо пропорционален энергии бомбардирующих частиц. Здесь и ниже рассмотрен захват тяжелых ионов. В дальнейшем будет рассмотрены и захваты различными металлами гелия и водорода, которые отличаются от захвата тяжелых ионов (рис Л .4).
Захват тяжелых ионов
Захват ионов, особенно для редких газов, исследовался в течение ряда лет на большом разнообразии материалов; эти исследования в основном стимулировались необходимостью понимания процессов откачки в ультравысоковакуумных системах [2]. Результаты для аргона из работы [10] показаны на рис. 1.5 и 1.6.
Как уже отмечалось, а также из рис. 1.5 видно, что число захватов пропорционально числу бомбардирующих частиц (что определяет эффективность захвата) вплоть до дозы 10м см 2 для малых энергий и 1015 см"2 для больших энергий. При более высоких дозах эффективность захвата зависит от числа бомбардирующих частиц и этот эффект связывается с некоторым индуцированным бомбардировкой явлением высвобождения, т.е. высвобождением ранее захваченных атомов бомбардирующими ионами. При малых дозах эффективность захвата т/зависит от энергии (рис, 1,6 и рис. 1.7).
Из рис. 1.6 и 1.7 видно, что на малых энергиях эффективность захвата быстро уменьшается и что для захвата имеется, по-видимому, энергетический порог, который согласуется с массой и атомным номером бомбардирующих ионов в решетку.
Корнельсен [33,33], используя модификацию потенциала Абрахамсона [35], вычислил потенциальную энергию атомов на середине среднего межатомного расстояния решеток. Хорошее согласие с теоретическим значением порога показано в табл. 1. На более высоких энергиях ионы будут глубже внедряться в решетку и поэтому ожидается, что величины эффективности захвата будут близки к единице.
Дальнейшие сведения об атомах газа в металлах можно получить, наблюдая спектры тепловой десорбции. В этом методе после внедрения мишень нагревается, причем температура возрастает со временем (обычно линейно). Происходит тепловое высвобождение атомов газа, захваченных решеткой, и температура, при которой они высвобождаются, зависит от энергии связи атома.
Методы исследования влияния алюминия и титана (элементы замещения) на поведение ионно-внедренного гелия в модельных сплавах на основе никеля (сплавы систем Ni-Al, Ni-Ti)
Для исследования влияния легирования на структурную повреждаемость и поведения гелия в никеле использовали исходные закаленные сплавы никеля, представляющие собой твердые растворы с 6,1 и 7,5 % А1 и с 8,3 % Ті -пересыщенные твердые растворы в соответствии с диаграммами состояния Ni-Al Nii [44].
Модельные сплавы были приготовлены на основе высокочистых Ni (99,999) сплавлением с легирующими элементами в вакуумно-дуговой печи по методике, описанной ранее [42,87].
Содержание углерода в сплавах контролировалось с помощью экспресс-анализаторов на углерод АН-7529 (в диапазоне измеряемых массовых долей углерода от 0,03 до 9,999%С) и АН-7560 (от 0,001 до 0,1 %С). Предел допускаемого основного абсолютного среднего квадратичного отклонения (С КО) результатов анализов, характеризующего сходимость показаний анализаторов, соответствовал значениям, вычисляемым по формулам: для АН-7529: =±(0,005 N+090025%C), (2.1) для АН-7560: SN =±(0,005 Лг+0,0005%С), (2.2) где SN - предел допускаемого основного абсолютного СКО результатов анализов (сходимость показаний), %С; N - среднее арифметическое значение результатов анализов, полученное на п-пробах (п 10) одного и того же образца, (%С).
Концентрация А1 и Ті в сплавах определялась методом масс-спектрометрии и вторичных ионов с точностью до ± 0,001% (по массе) на установке SIMS фирмы Riber.
Химический состав исследованных сплавов составил: Ni-Al: 0...7,5%А1; Nii: 0...8,3% Ті.
Сплавы перед облучением были закалены от 1100С после выдержки в вакуумных ампулах в течение 1 ч; часть образцов была отожжена в вакууме при 750С в течение 1 ч.
Для уменьшения ошибок эксперимента, вызванных условиями облучения (температура мишени, флюенс - плотность ионного тока, остаточное давление газов в области мишени и т.д.), облучаемые образцы были собраны в специальные кассеты и облучены в ионном ускорителе ИЛУ-3 РН «Курчатовский институт» в идентичных условиях сканирующим по поверхности пучком ионов Не с энергией 40 кэВ флюенса 5-Ю20 м 2 при 20 и 750С. Температура мишени контролировалась приваренными с тыльной стороны сборки термопарами.
Равномерное насыщение образцов гелием при Т 100С до концентрации ат.% проведено облучением а - частицами с энергией 29 МэВ по специальной методике [41] в ИЯФ (Казахстан).
Исследование закономерностей захвата и выделения гелия проведены на установке термодесорбционноЙ спектроскопии (ТДС) на базе модифицированного гелиевого течеискателя ПТИ [50]. Принципиальная схема вакуумной системы прибора приведена на рис. 2.2. Испытательная камера (ИК) откачивается диффузионным и форвакуумным насосами через вентиль В2. В режиме регистрации скорости выделения гелия вентиль В2 закрыт, открыт вентиль В1, соединяющий испытательную камеру с масс-спектрометром ПТИ 10. Выходной сигнал от ПТИ-10 подается на автоматический потенциометр КСП-4 либо на вход потенциометра планшетного двухкоординатного ПДП4 002. Точностные характеристики регистрации выделения гелия определялись с помощью гелиевой течи. Регистрируемый минимальный поток гелия с образца не превышал 8-Ю8 ат./с. Изменение температуры осуществлялось специально разработанным прецизионным программируемым регулятором, предназначенным для компенсации каналов постоянного тока (термопара с использованным совместно с высокоомным регулятором температуры для программного изменения температуры. Погрешность измерения температуры при использовании образцов толщиной не более 0,3 мм не превышала + в диапазоне 500...1500К.
Исследование выделения гелия из облученных образцов проведено при равномерных нагревах образцов, скорость нагрева, а, задавалась в пределах от 0,83 до 10 К/с.
Повреждение материалов под воздействием электронной и ионной бомбардировки, их поверхностная топография
Исследование повреждения многокомпонентных материалов Для успешного внедрения катодных материалов в производство электронных приборов необходимо было решить ряд комплексных задач, основными из которых являются нахождение путей повышения стабильности и воспроизводимости эмиссионных свойств катодных материалов под воздействием дестабилизирующих факторов, например, в мощных ЭВП под воздействием мощной электронной, ионной бомбардировки и ускоренных частиц. Следует отметить, что воздействию электронной, ионной и атомарной бомбардировки подвергаются не только катоды, но и другие внутри приборные элементы (аноды, коллектора и т.п.)
Как известно [7-9], изучение физических процессов, происходящих на поверхности и в приповерхностных слоях в катодах под воздействием электронной, ионной и атомарной бомбардировки, и связанных с этими процессами изменений состава и структуры поверхности катодных материалов в процессе активирования и ресурсных испытаний дает существенную информацию о механизме их электронной эмиссии. Особенно важно знать информацию об изменении состава и структуры поверхности систем со стабилизирующей металлической пленкой [8,9], механизм диффузии и адсорбции, глубину проникновения частиц и энергии при достаточно мощном воздействии. Этому и посвящена данный раздел на примере исследования композиционного материала [Cu+(Cu-BaO-Li20)+Cu].
Целесообразно, на наш взгляд, предварительно рассмотреть известные механизмы повреждения поверхности твердого тела и изменения его поверхностной топографии под воздействием электронной, ионной и атомарной бомбардировки, в частности, под воздействием ионной бомбардировки.
Важность исследования топографических эффектов всех типов состоит в том, что без детального знания структуры поверхности трудно понимать другие поверхностные эффекты, которые здесь обсуждаются. Характерными примерами этих проблем являются поведение спектров рассеянных частиц от поврежденных поверхностей, обсуждавшихся в 1.1, и поведение коэффициентов распыления в зависимости от дозы. Радиационное шелушение является физическим процессом, который может привести сам по себе к повреждению поверхности, которое отлично от повреждения распылением. Вплоть до настоящего времени эта возможность не учитывалась, и исследования этого явления могли быть полезными, особенно, для больших потоков легких ионов или для тяжелых ионов с большими энергиями, а также, на наш взгляд, при адсорбции на поверхности материалов поверхностно-активных компонентов из его объема.
Повреждение материалов под воздействием электронной и ионной бомбардировки, их поверхностная топография Бомбардировка поверхностей ионами может привести к изменениям топографии и структуры поверхности под воздействием ряда различных эффектов. Наиболее важным из них является эффект, связанный с распылением. Если поверхность плоская и свободна от шероховатостей, то на основе предварительных соображений можно ожидать, что при эрозии поверхности распылением поверхность должна оставаться плоской. Однако если поверхность не идеально плоская, то изменение коэффициента распыления с углом падения (см. 1.1) приведет к тому, что поверхность будет эрозировать более быстро там, где угол падения выше. Поэтому интересно проследить, как топография поверхности изменяется со временем и какая в результате будет равновесная форма поверхности. На практике бывают ситуации, когда в результате загрязнения на поверхности могут появляться области со значительно меньшим коэффициентом распыления, чем у основной массы материала, что приводит к неравномерному травлению поверхности. В
качестве примера можно привести и наши результаты исследований поверхности композиционной системы Cu-BaO-Li20 без пленки и с металлической пленкой в процессе термообработки и воздействия электронной и ионной бомбардировки (рис. 3.1-3.2). Возможности образования структуры поверхности обсуждалась в работе [2] и позднее в [31]. Когда поверхность бомбардируется ионами, радиационные повреждения могут вызвать рост протяженных дефектов, также как и дислокаций (см. рис. 3.3, а также рис. З.бв). По мере эрозии поверхности эти дефекты в свое время обнажаются, что приводит к изменению коэффициента распыления на поверхности, и в некотором смысле является зародышем роста крупномасштабной поверхностной структуры.
Поэтому такие эффекты могут приводить к изменениям структуры поверхности даже на изначально идеальной поверхности.
Ещё одним эффектом, который может приводить к изменениям структуры поверхности, является эффект, называемый радиационным шелушением. Он впервые наблюдался Примаком [2], затем Каминским [18], но этому вопросу вначале уделялось мало внимания вплоть до времени, когда была осознана его потенциальная важность в эрозии стенок управляемых термоядерных реакторов. Пример шелушения на примере ленты Cu-BaO-Li20 5 1,0 мм, без пленки после электронной бомбардировки мощностью 30 Вт/см2 в течение 0,5 ч. за счет адсорбции поверхностно-активных компонентов, например, лития и его соединений, показан на рис. 3.3.
Захват и выделение ионно-внедренного гелия
В чистом никеле центрами зарождения таких комплексов являются обычные вакансии (радиационно-созданные или структурные, например, вакансии закалки). Однако в сплавах, где атомы А1 или Ті создают упруго-искаженные области в решетке никеля, такими центрами могут быть и атомы замещения, поскольку созданные ими области сжатия «консервируют» вакансии или их комплексы, которые в процессе облучения захватывают внедряемые газовые атомы. Это должно привести к увеличению плотности формирующихся комплексов HemVn и, следовательно, и числа выталкиваемых в междоузлие собственных атомов в единицу времени, что и подтверждается возрастанием плотности дислокационных петель внедрения с увеличением концентрации легирующего элемента в сплавах, облученных ионами гелия при комнатной температуре. Более того, такие сложные комплексы, содержащие атомы легирующего элемента, вакансии и атомы гелия, могут быть термически более стабильными, чем комплексы HemV„ в никеле. То есть, полагаем, что одним из механизмов задержки гелия в сплавах является сохранение его в комплексах, содержащих атомы легирующего элемента. В таком случае температура диссоциации этих комплексов должна быть выше 750 С. Прямые данные по формированию высокостабильных комплексов типа He-Al-V или Не Ti-V (т.е. комплексы типа HemVnMex, где Me - атом легирующего элемента) приведены в работе [129], а результаты работ [123-124] подтверждают этот механизм захвата гелия.
При послерадиационных изохронных отжигах или равномерном нагреве при ТДС-исследованиях происходит распад комплексов типа HemVn (в никеле наиболее стабильные из них, как было показано [68,72,86], распадаются до 650 С, а менее стабильные - значительно раньше) и миграцией части освободившихся атомов гелия от ловушки к ловушке к поверхности, а оставшаяся часть гелия и вакансии концентрируются в формирующихся пузырьках (механизм Оствальда). С ростом температуры происходит миграция и коалесценция пузырьков в процессе миграции и выход их на поверхность при температуре пика ТДС с образованием дырчатой (pin-hole) структуры на поверхности образцов. При этом легирующие элементы оказывают существенное влияние на процесс газовыделения, т.е. на скорость миграции и роста пузырьков. Следовательно, второй механизм задержки гелия в сплавах (см. рис. 3.8 и 3.9) может быть связан с существенным (на 3-4 порядка) снижением коэффициента диффузии атомов никеля при легировании его алюминием (рис. 3.10). В этом случае будут подавлены как растворение пузырьков, так и их миграция, поскольку в обоих процессах участвуют точечные дефекты.
Согласно данным разных авторов [69,81,123] энергия активации самодиффузии никеля лежит в пределах 2,6-2,9 эВ. Эффективная энергия активации газовыделения из пересыщенных ( 5%А1) твердых растворов (см. рис. 3.9) соответствует этим же величинам, что является хорошим подтверждением механизма миграции пузырьков в сплавах объемной диффузией атомов матрицы, как предполагалось в работах [37,57,73,128]. Однако в твердорастворных сплавах ( 5%А1) и в чистом Ni значения Е ниже, чем энергия активации объемной диффузии никеля. Это означает, что в чистых металлах и малолегированных сплавах в миграцию пузырьков вносит заметный вклад и поверхностная диффузия.
Таким образом, по результатам полученных экспериментальных данных по влиянию легирования на параметры пузырьковой микроструктуры и поведение ионно-внедренного гелия в никеле можно сделать следующие выводы:
1 . Установлено, что атомы замещения (алюминий и титан) в никеле увеличивают плотность зарождения гелиевых пузырьков и снижают их размеры. Эффект более выражен в сплавах, содержащих А1 и Ті выше предела их растворимости в никеле в равновесном состоянии ( 5% А1 или Ті) при относительно небольших временах отжига. При длительных отжигах в стареющих сплавах формируется две системы пузырьков: мелких, расположенных в матрице, и крупных, связанных с частицами выделений вторичных фаз.
2. Показано, что снижая коэффициент самодиффузии никеля на 3-4 порядка, алюминий и титан препятствуют миграции и коалесценции пузырьков и выходу их на поверхность, сдвигая тем самым пики газовыделения в область высоких температур и увеличивая эффективную энергию активации газовыделения.
3. После длительного отжига (750С, 25 ч) в твердорастворных сплавах сохраняется в 4 раза больше введенного гелия, чем в никеле и стареющих сплавах.
4. Показано, что атомы А1 и Ті в Ni являются сильными ловушками для атомов гелия и наряду с обычными комплексами типа HemVn могут образоваться термически более стабильные комплексы типа HemVnMex, содержащие атомы примесного элемента, наличие которых объясняет обнаруженные явления.
5. Подтверждено, что основным механизмом газовыделения в пике ТДС является миграция пузырьков и выход их на поверхность образца. В сплавах миграция пузырьков преимущественно обусловлена объемной диффузией атомов матрицы, а в относительно чистых металлах возрастает вклад и поверхностной диффузии.
