Сегрегация примеси в условиях облучения пучком электронов

Радиационно-стимулированная сегрегация (выделение примеси на дефектах кристаллической структуры) имеет место при выполнении следующих условий: а) наличие устойчивых потоков дефектов в отдельные пространственные области; б) преимущественное взаимодействие потоков атомов отдельных элементов сплава с этими потоками дефектов. Такое сочетание поддерживает локальные градиенты концентраций, которые исчезают при отсутствии потока дефектов.

Наиболее вероятными причинами существования устойчивых потоков дефектов к определенным областям пространства являются локальные исчезновения избыточных дефектов у стоков, такие как поры, дислокации, границы зерен и поверхность.

Сегрегация примеси на дефектах кристаллической решетки Экспериментальное изучение сегрегации примеси на дефектах кристаллической решетки

Прямым экспериментальным подтверждением устойчивых потоков дефектов является постоянный рост дислокационных петель или пор. Однако, поскольку рост (или уменьшение) вызван разницей потока дефектов вакансионного и межузельного типов, отсутствие роста не обязательно указывает на отсутствие устойчивых потоков дефектов. Получены убедительные косвенные доказательства устойчивости потоков дефектов на основе изучения радиационно-стимулированного образования выделений на стоках дефектов в сплавах, представляющих собой твердые растворы при облучении ионами. Так, в сплаве Fe-18%Cr-8%Ni-1%Si наблюдались поры покрытые выделениями; в разбавленных твердых растворах Ni-Si обнаружены дислокационные петли межузельного типа, декорированные Ni₃Si [¹⁰]; в сплаве Ni- 0,7%Be найдены границы зерен полностью покрытые выделениями NiBe; отмечено образование когерентных пленок Ni₃Si на поверхности облученных ионами разбавленных сплавов никель-кремний [¹¹].

Радиационно-стимулированная сегрегация изучалась в различных системах и под воздействием электронных пучков. В таблице 3 приведены экспериментальные результаты по сегрегации элементов на различных видах дефектов в условиях облучения пучком электронов.

Таблица 3

Перераспределение элементов в поле облучения пучком электронов

Сплав %	Обработка	Исследуемый дефект	Вид сегрегации на дефекте	Источник
Ag-9,6%Al	E=1 МэВ,  =1,21019 см-2с-1, T=673 К	микропора	Обогащение Аl	12
Ag-9,4%In	E=1 МэВ,  =1,21019 см-2с-1, T=673 К	микропора	Обеднение In	29
Fe-13%Cr	E=2,75 МэВ, =11019 см-2с-1, T=673 К	граница зерна	Обеднение Cr	29
Al-35%Zn	E=1 МэВ, T=230C	граница зерна	Обогащение Zn	13
Fe-10%Cr-1%Ti,	E=1 МэВ; 5 смещ./ат. T=550-870 К;	дислокационные петли	Обогащение Cr	14
		дислокации	выделение Ti

Модели радиационно-стимулированной сегрегации на дефектах кристаллической решетки

Для описания сегрегации примесей на локальных дефектах была предложена модель ячеек [¹⁵]. Весь кристалл разбивается на области – ячейки, таким образом, что внутри каждой ячейки имеется частица выделения. Граничное условие диффузии имеет вид , где – расстояние между выделениями. Исследование проведено для случая, когда выделения достаточно стабильны в химическом отношении, так что растворимость в матрице нечувствительна ни к радиационно-стимулированному разупорядочению, ни к потокам избыточных радиационных дефектов в матрице. Модель рассматривает совокупность сферических частиц радиуса r_p, находящихся в матрице с исходной концентрацией примеси С_о; при этом влияние радиационного разупорядочения на концентрацию примеси вблизи выделения не учитывается.

Поведение примеси в матрице анализируется в рамках диффузионной задачи с граничными условиями, определяемыми постоянством концентрации примеси у границы выделения С_о=const и нулевым градиентом концентрации на границе ячейки, т.е. на половине расстояния между выделениями при r=L. Уравнение диффузии

(1.2)

где - функция ввода дефектов.

Установившийся концентрационный профиль вблизи выделения:

(1.2)

Максимальная концентрация, достигаемая при , равна

. (1.2)

Как видно из уравнения (1.17), максимальная концентрация линейно зависит от скорости образования и от квадрата длины пробега выбитых атомов и обратно пропорциональна коэффициенту диффузии D. Пока r_p>RC_max очень слабо зависит от . В случае, когда выделения заметно различаются по размерам, точное решение будет несколько измененным, однако различие величины С_max от радиуса выделений приводит к процессам огрубления структуры.

В условиях, когда радиационный эффект выражен слабо, процесс описывается кинетикой Вагнера-Лившица-Слезова [¹⁶], хотя при этом временная зависимость размера выделений прогрессивно отклоняется от классического соотношения r³~t. При более интенсивном облучении кинетика укрупнения выделений значительно усложняется, однако, как предсказывает теория, максимальный размер стабильных выделений такой же, как и в теории Лившица-Слезова. Частицы, размер которых заметно ниже максимально стабильного размера, растут в соответствии с классическим законом r³~t. Частицы в области размеров, существенно превышающих максимальный стабильный размер, уменьшаются также согласно кинетике типа r³~t.