W–Ni重合金在高能He+辐照下的结构与微观结构演变

《Radiation Physics and Chemistry》：Structural and Microstructural Evolution of W–Ni Heavy Alloys under High-Energy He+ Irradiation

本文系统研究了氦离子辐照对W-Ni合金的结构影响，通过XRD分析发现高能He+辐照导致晶粒尺寸显著减小，峰宽增加，微应变增大，同时主相W保持稳定，次相WNi4呈现长程有序降低。基于SRIM模拟验证了辐照损伤机制，揭示了不同剂量下合金的辐照抗性差异。

　　

萨米尔·萨马多夫（Samir Samadov）|拉斐尔·伊萨耶夫（Rafael Isayev）|阿莱娜·弗拉基米罗夫娜（Alena Vladimirovna）|阿夫孙·阿比耶夫（Afsun Abiyev）

阿塞拜疆共和国科学与教育部辐射问题研究所，巴库，AZ1143，阿塞拜疆

引言

近年来，由于陶瓷材料具有较高的熔点、优异的机械稳定性和抗辐射性能，以及金属合金的这些特性，它们被认为是在核能、航空航天和国防工业中具有广泛应用前景的材料 [Abdullayev等人，2025；Soni等人，2024；Abiyev等人，2025；M.N. Mirzayev等人，2024；Fragassa等人，2023]。特别是W–Ni重金属合金，因其出色的抗辐射性、导热性和化学稳定性，被认为是承受严重辐射载荷的结构部件的重要替代材料。这些合金在核反应堆内部组件的应用对于确保长期抵抗高能量通量至关重要 [Allahyarzadeh等人，2016；Auerswald等人，2010]。

材料在辐射作用下的主要变化与晶格中空位和间隙的形成、位错网络的发展以及气泡的积累有关 [Samadov等人，2024；Popov等人，2024]。这些缺陷会削弱晶体的稳定性，导致衍射峰的位移和宽化，以及微观应变的变化。X射线衍射（XRD）被认为是研究这些变化最可靠的方法之一 [Dolabella等人，2022；Samadov等人，2024；Sayed等人，2021；Mu等人，2025]。该方法不仅能够精确监测晶粒尺寸和晶格参数，还能定量评估微观应变和位错密度 [Samadov等人，2024]。文献数据显示，Ni–W基合金在离子辐照下的行为表现出不同的结果，这些变化可以通过XRD分析有效追踪。例如，在15–20 keV能量的Ar⁺离子作用下，Ni–13.9 wt.% W合金的冷轧带材中微观应变发生了显著变化。具体来说，当辐照剂量为3.1×10¹⁶ cm^-2时，厚度为80 μm的带材内部应力降低，而初始的（220）织构得以保持；然而，在更高剂量（9.7×10¹⁷ cm^-2下，织构从（220）变为（200） [Guschina等人，2022]。在用Xe²⁶⁺离子以0.05–2 dpa剂量辐照的Ni–xW–6Cr合金中，尽管晶格参数保持稳定，但观察到衍射峰的宽化，表明微观应变和位错密度增加 [Liu等人，2023]。用He离子辐照97W–2Ni–1Fe和90W–7Ni–3Fe合金时也观察到了类似的结构变化。XRD分析显示，在1×10¹⁷离子/cm²的辐照剂量下，两种合金的衍射峰半高宽（FWHM）值增加，而晶粒尺寸显著减小。在97W–2Ni–1Fe合金中，（110）方向的晶粒尺寸从95 nm减小到59.9 nm；在90W–7Ni–3Fe合金中，晶粒尺寸从71.9 nm减小到59.9 nm。在更高剂量（5×10¹⁷离子/cm²下，90W–7Ni–3Fe合金的峰宽化更为明显，晶粒尺寸更小，表明其抗辐射性能优于97W–2Ni–1Fe合金 [Huang等人，2014]。

尽管现有研究从不同角度探讨了离子辐照对Ni–W基合金结构稳定性和缺陷演变的影响，但He⁺离子对W–Ni合金晶体改性的影响尚未得到充分研究。为了填补这一空白，本研究使用X射线衍射（XRD）系统地分析了不同剂量He⁺离子辐照后W–Ni合金的关键参数，重点关注晶体相组成、晶格参数的变化、衍射峰的宽化、晶粒尺寸和微观应变。

章节摘录

材料表征与He⁺辐照

在本研究中，W–Ni合金通过传统的粉末冶金工艺制备，测得其密度为16.5 g/cm³。合金由96.2 wt.%的钨、3.4 wt.%的镍和约0.4 wt.%的残余金属元素组成，整体材料纯度超过99.99%。

在中子物理实验室的EG-5静电加速器上，使用高能单电荷氦离子（E = 2.5 MeV）对W–Ni样品进行了一系列辐照实验

SRIM模拟He⁺离子在W–Ni合金中的损伤过程

使用SRIM代码模拟了2.5 MeV He⁺离子注入W–Ni合金的过程。模拟的目标材料厚度为5×10⁴ ?（≈5 μm），密度为5.685 × 10²²原子/cm³（≈17 g/cm^{3+离子辐照的W–Ni合金的总位移和空位深度分布}

结论

高能He⁺辐照引起了W–Ni合金的结构变化。主要的W相（Im-3m，No. 229）在所有辐照条件下都保持稳定，仅出现轻微的晶格膨胀，表现为衍射峰向左位移和体积略微增加（通过Rietveld分析确认）。相比之下，次要的WNi₄相（I4/m，No. 87）在辐照下表现出衍射峰强度的降低和宽化，表明其长程有序性丧失

CRediT作者贡献声明

阿夫孙·阿比耶夫（Afsun Abiyev）：撰写——原始草稿，可视化，项目管理，实验研究。萨米尔·萨马多夫（Samir Samadov）：撰写——审稿与编辑，撰写——原始草稿，软件开发，方法学研究，实验研究，概念构思。阿莱娜·弗拉基米罗夫娜（Alena Vladimirovna）：可视化，软件开发，方法学研究，实验研究。拉法伊尔·伊萨耶夫（Rafail Sh. Isayev）：软件开发，资源准备，数据分析

未引用的参考文献

Abdullayev等人，2025；Arga?araz等人，2012；Auerswald和Fecht，2010；Das，2019；Huang等人，2018；Kamil和Jasim，2020；Mirzayev等人，2025；Rahul等人，2024；Samadov等人，2024；Samadov等人，2024。

利益冲突声明

无利益冲突。