Эволюция состояния поверхностного слоя ниобия при воздействии импульсных пучково-плазменных потоков

Abstract

Представлены результаты исследования состояния поверхностного слоя ниобия после воздействия импульсных потоков ионов гелия (ИГ) и гелиевой плазмы (ГП) в установке Плазменный фокус (ПФ). Плотность мощности потоков ИГ составляла qi ~ 10 8 Вт/см 2 , длительность импульсов τi ≈ 30 – 50 нс; для потоков ГП эти параметры равны qp ~ 10 7 Вт/см 2 и τp ≈ 100 нс. При воздействии указанных потоков энергии происходила эрозия материала ионно-атомным механизмом испарения. В центральной части зоны облучения под действием наиболее высокоэнергичных потоков ИГ и ГП этот процесс протекал несколько более интенсивно. Толщина слоя, испаряемого за один импульсный разряд, составляла ~ 0.1 мкм и была примерно такая же, как у вольфрама при воздействии на него ионов дейтерия и дейтериевой плазмы в близких условиях облучения. После импульсного воздействия на образцы Nb радиационных потоков наблюдается, помимо эрозии, плавление поверхностного слоя с образованием волнообразного рельефа поверхности, содержащей газонаполненные блистеры, а также блистеры с разрушенными оболочками. Происхождение блистеров связано с формированием комплексов на основе соединения имплантированного гелия с вакансиями и атомами примесей внедрения (C, O, N и др.) и последующим их ростом и коагуляцией в жидкой фазе, которая возникала при расплавлении поверхностного слоя Nb падающими импульсными потоками энергии. Во многих участках облученного поверхностного слоя наблюдаются микротрещины, образованные под действием термических напряжений, развивающихся на стадии охлаждения и кристаллизации жидкой фазы. Часть микротрещин находится в зоне расположения блистеров, другая часть совпадает с линиями скольжения материала, возникающими под действием высокоскоростной пластической деформации. Сетка таких микротрещин создает на поверхности Nb блочную структуру. В облученном поверхностном слое ниобия обнаружены зоны столбчатых кристаллов и ячеистая микроструктура поверхности, в которой размер ячеек составляет 100-200 нм. Численным моделированием показано, что в указанных зонах затвердевание расплава протекало посредством направленной кристаллизации с высокой скоростью, которая вблизи облученной поверхности достигала ~35 м/с