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Observation and analysis of damage structure in Al and Al/Mg (N4) alloy after irradiation with 100 and 400 keV aluminium ions

1976; Elsevier BV; Volume: 62; Issue: 1 Linguagem: Inglês

10.1016/0022-3115(76)90285-3

1873-4820

D.J. Mazey, R. Bullough, A. D. Brailsford,

Ion-surface interactions and analysis

A comparative TEM study has been made of ion irradiation damage structure in pure aluminium, commercial aluminium (grade 1100) and in a modified N4 (Al/2.95% Mg) alloy of the type used in the construction of the calandria of the Winfrith prototype SGHW Reactor. Atom displacements equivalent to many years neutron irradiation were simulated by bombardment with 100 and 400 keV Al+ ions to doses of up to 200 dpa at temperatures between 30 and 250°C. Dynamic observations of damage formation were made during irradiation with 100 keV ions in a linked heavy-ion accelerator/200 keV electron microscope, and further results were obtained by 400 keV Al+ ion bombardment in a Cockcroft-Walton accelerator. Dislocation structure and voids were seen in aluminium irradiated with 100 and 400 keV A1+ at temperatures between 30 and 250°C. Void swelling of 8.7% at 104 dpa was a maximum at 1̃50°C in type 1100 aluminium. No voids were found at temperatures μ 250°C. No voids were seen in the Al/Mg N4 alloy after bombardments up to 200 dpa with 100 keV A1+, and 150 dpa with 400 keV Al+ at temperatures between 50 and 170°C. The void-resistant property is consistent with observations in the USA of neutron-irradiated 5052 Al alloy which has a similar magnesium content to the modified N4 alloy. The 1100 alloy and N4 results have been analysed using the rate theory of swelling. The absence of voids in the N4 alloy indicates an effective vacancy annihilation mechanism, which possibly occurs at small precipitates formed during irradiation. Une étude comparative par microscopic électronique par transmission a été effectuée sur la structure des dommages par irradiation dans l'aluminium pur, dans l'aluminium commercial (nuance 1100) et dans un alliage modifié Al-2,95% Mg(N4) utilisé dans la construction de calandres du réacteur prototype SGHW Winfrith. Des déplacements d'atomes équivalents à plusieurs années d'irradiation neutronique ont été simulés par bombardment avec des ions Al+ de 100 et 400 keV jusqu'à des doses atteignant 200 dpa aux températures comprises entre 30 et 250°C. Des observations dynamiques de la formation des dommages ont été faites durant l'irradiation avec des ions de 100 keV dans un accélérateur à ions lourds lié à un microscope électronique de 200 keV et d'autres résultats ont été obtenus par bombardment par des ions Al+ de 400 keV dans un accélérateur Cockroft-Walton. La structure des dislocations et des vides a été observée dans l'aluminium irradié avec des ions Al+ de 100 et 400 keV à des températures comprises entre 30 et 250°C. Le gonflement des vides de 8,7% pour 104 dpa constituait un maximum à 150°C dans l'aluminium de type 1100. Aucun vide n'a été observé dans l'aluminium aux températures supérieures à 250°C ou dans l'alliage Al-Mg N4 après bombardment atteignant 200 dpa avec des ions Al+ de 100 keV et 150 dpa avec des ions Al+ de 400 keV aux températures comprises entre 50 et 170†C. La propriété de résistance à la formation de vides est en accord avec les observations faites aux U.S.A. sur un alliage d'aluminium 5052 irradié aux neutrons qui avait une teneur en Mg similaire à celle de l'alliage modifié N4. Les résultats obtenus sur les alliages 1100 et N4 ont été analysés en utilisant la théorie de vitesse du gonflement. L'absence de vides dans l'alliage N4 indique l'existence d'un mécanisme effectif d'annihilation des lacunes qui se produit vraisemblement à l'endroit des petits précipités formés durant l'irradiation. Eine vergleichende transmissionselektronenmikroskopische Untersuchung der Schadensstruktur durch lonenbeschuss wurde an reinem und kommerziellem Al(Typ 1100)' sowie an einer modifizierten N4-Legierung (Al-2,95% Mg) durchgeführt, die beim Bau des Röhrenheizkörpers des SGHW-Prototypreaktors in Winfrith verwendet wird. Atomverlagerungen, die einer mehrjährigen Neutronenbestrahlung entsprechen, wurden durch Beschuss mit 100- und 400 keV-Al+-Ionen einer Dosis bis zu 200 Verlagerungen pro Atom zwischen 30 und 250% simuliert. Die Beobachtung der Schadensbildung während des Beschüsses mit 100 keV-Ionen wurde durch ein kombiniertes Gerät aus Schwerionenbeschleuniger und 200 keV-Elektronenmikroskop ermöglicht. Weitere Ergebnisse wurden durch 400 keV-Al+-Ionenbeschuss mit einem Cockcroft-Walton-Beschleuniger gewonnen. Versetzungsstrukturen und Poren wurden in Al beobachtet, das mit 100- und 400 keV-Al+-Ionen zwischen 30 und 250°C beschossen worden war. Ein Porenschwellen von 8,7% bei 104 Verlagerungen pro Atom war ein Maximalwert bei etwa 150°C in Al 1100. Oberhalb 250°C wurden keine Poren gefunden. Ebenfalls keine Poren wurden in der N4-Legierung nach Beschuss bis zu 200 Verlagerungen pro Atom mit 100 keV-Al+-Ionen und bis zu 150 Verlagerungen pro Atom mit 400 keV-Al+-Ionen zwischen 50 und 170°C beobachtet. Die porenresistente Eigenschaft stimmt mit Beobachtungen in den USA ub̈erein, die an der neutronenbestrahlten Al-Legierung 5052 gemacht wurden, welche einen ahnlichen Mg-Gehalt wie die modifizierte N4-Legierung hat. Die Ergebnisse an der 1100- und N4-Legierung werden mit dem reaktionskinetischen Modell des Schwellens analysiert. Die Abwesenheit von Poren in der N4-Legierung weist auf einen effektiven Leerstellenausheilmechanismus hin, der mog̈licherweise an kleinen, wéhrend der Bestrahlung gebildeten Ausscheidungen auftritt.