Диффузионная подвижность железа в бериллии

• Автор: Румянцев, Иван Михайлович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 78 с. : ил.

1. ОБЗОР МЕТОДОВ ИЗУЧЕНИЯ ДИФФУЗИИ

1.1. ОПРЕДЕЛИ ИЕ КОЭФФИЦИН ГГА ДИФФУЗИИ В МЕТАЛЛАХ

1.2. Обзор исследований диффузии железа в бериллии

2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ДИФФУЗИОННОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

2.1. Исследуемый материал

2.2. Подготовка образцов

2.3. Характеристики диффузаита

2.4. Создание слоя-источника диффузии

2.5. Подготовка к диффузионному отжигу

2.6. Проведение диффузионных отжигов

2.7. Снятие слоев

2.8. Радиометрический анализ
2.9. Представление данных распределения интегральной активности по глубине
3. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА. ПОПАКЕТНЫЙ МЕТОД
3.1. Первичная обработка
3.2. Погрешность опре деления коэффициента диффузии
3.3. Анализ вклада необъемных процессов
3.4. ПОПАМГП1АЯ ОБРАБОТКА
3.5. Анализ диффузии в приповерхностных слоях
4. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ О ДИФФУЗИИ ИЗ ИСТОЩАЮЩЕГОСЯ ИСТОЧНИКА С УЧЕТОМ ПРЕДЕЛА РАСТВОРИМОСТИ
4.1. Решение задачи о диффузии из истощающегося источника
4.2. Учет предела растворимости при диффузии из постояш юго источника
4.3. Задача о диффузии из истощающегося источника с учетом предела растворимости примеси
5. ПРИМЕНЕНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ МОДЕЛЕЙ ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ ДИФФУЗИИ ПРИМЕСЕЙ В БЕРИЛЛИИ
5.1. Диффузия железа в горячепрессованном и литом бериллии
5.2. Прогнозирование характерных особен] юстей диффузии примесей в бериллии
ВЫВОДЫ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.

Принятые обозначения
А — константа, связывающая активность образца с концентрацией диффузан-та, имп/(см2-с);
В — константа, К;
с - концентрация примеси, атом/см3;
О—коэффициент диффузии, см2/с;
£>о — предэкспоненциальный множитель, см2/с;
£ — длина образца, см;
£(і — характерная глубина диффузионного проникновения примеси в образец, см;
Щх) - интегральная активность остатка образца, имп./с;
1 — время, с;
(2 — энергия активации примеси, кДж/моль;
(2о —количество диффузанта в источнике диффузии, атом/см2; і^2—дисперсия;
Т — абсолютная температура, К; х — координата снятого слоя, мкм;
х~ - слой, определяющий начало линейной диффузии, мкм; г — безразмерная координата снятого слоя;
ал - характерное время диссоциации слоя-источника атомов примеси, с*1; р— безразмерный параметр;
^—безразмерный поток;
//— линейный коэффициент поглощения радиоактивного излучения изотопа, см'1;
т— безразмерное время;
<9- степень истощения источника, %.
Актуальность
Бериллий — уникальный материал атомной и авиакосмической техники. В проектах термоядерных реакторов (ТЯР) он рассматривается в качестве канди-датного материала для ряда элементов, например, в облицовке первой стенки и как размножитель нейтронов в бридерном бланкете. Выпускаются различные сорта бериллия технической чистоты. Наиболее технологичным является бериллий, приготовленный методами порошковой металлургии. Материаловедче-ско-технологические исследования бериллия активно продолжаются.
Свойства бериллия, в частности механические, зависят от наличия примесей, причем не только от их количества, но и от того, в каком виде они находятся. Контролирующим процессом распределения и перераспределения примесей при термической обработке материала является диффузия. Железо является основной металлической примесью в бериллии и оказывает существенное влияние на механические свойства бериллия и его сплавов. В литературе имеются данные по диффузии железа, полученные разными методами. Эти данные во многом противоречивы. Настоящая работа посвящена определению диффузионной подвижности железа в бериллии. Диффузионная подвижность как структурно-чувствительное свойство, по-видимому, должна иметь особенности в соответствии с особенностями структуры горячепрессованного материала. Следует ожидать, что влияние скажется на физических константах температурной зависимости коэффициента диффузии:
Д(Г) = Л0ехр(--^) , (1)
где О, - энергии активации, В0 — предэкспоненциальный множитель, Т — абсолютная температура. Один из прямых способов изучения диффузии - метод радиоактивных индикаторов. Однако в отношении системы бериллий—железо этот метод еще нуждается в развитии. Прежде всего, следует учесть, что радиоактивный препарат, наносимый на поверхность образца диссоциирует немгновенно, изотоп железа не настолько быстро переходит в матрицу, чтобы можно было использовать традиционные методики эксперимента. В таких случаях, когда слой-источник имеет конечное время диссоциации, его можно назвать истощающимся. Кроме того, железо имеет ограниченную растворимость в бериллии.
К началу работы математический аппарат решения задачи о диффузии ограниченно растворимой примеси не был разработан. Среди известных 1500 двойных металлических систем более 70% имеют малую растворимость одного элемента в другом. В случае неметаллических систем малая растворимость примеси в основной матрице встречается еще чаще. При обработке экспериментов по определению диффузионной подвижности в таких системах необходимо учи-
-4.
4.1. Решение задачи о диффузии из истощающегося источника
Задача о диффузии из истощающегося источника решалась и ранее [53]. Для обработки эксперимента, в нашем случае необходимо располагать общим решением задачи в аналитическом виде и выражением для интегральной активности Щх,0. Так как эти выражения ранее не были получены, возникает необходимость получения решений в удобном для использования виде.
Постановка задачи о линейной одномерной диффузии примеси с границы в полубесконечную матрицу сохраняется в традиционном виде и в дифференциальной форме имеет вид
^-с(х,/) = £>-|тс(х,/) + ^(х)ЛП, х >0, 1>0;
б; дх
с(х, 0)=0,х>0;; '(>0, (4.1.1)
где с(х, /) - концентрация примеси на расстоянии х от границы матрицы в момент времени I (координата границы х=0); /(/) — мощность источника примеси на поверхности образца (х = 0), т. е. количество примеси, поступающее в матрицу через единичную площадь границы в единицу времени; <5(х) — дельтафункция Дирака.
Если на границе реализуется модель мгновенного источника (МИ), то справедливо выражение
(4-1.2)
где Оо — количество атомов в источнике.
Такое предположение допустимо, если подразумевается:
1) время достижения поверхности образца (х=0) любым атомом слоя столь мало, что им можно пренебречь по сравнению с временем диффузионного отжига;
2) граница источник—образец абсолютно проницаема;
3) вещество образца способно растворить у своей поверхности все атомы нанесенного слоя;
4) все атомы слоя мгновенно активируются и способны в силу этого одновременно мигрировать в образец.
Если источник истощается, то условия (1) - (3) сохраняются, но в отличие от допущения, что все атомы источника мгновенно активируется (условие (4)), учитывается, что атомы источника активируются за некоторое время и не все одновременно. В таком случае мощность источника ДО можно выразить следующим образом:
Л0 = а-<2(0, (4.1.3)