Nanodaļiņu defektu agregatizācijas pētījumi 2D dzelzs režģī: kinētiskā Monte Karto modelēšana

Abstract

Ar oksīdu nanodaļiņām stiprinātajiem (ODS) tēraudiem novērojamas tādas teicamas īpašības kā termālā noturība, radiācijas defektu radītās dislokāciju mobilitātes un hēlija implantācijas radīto efektu mazināšana. ODS tēraudi ir daudzsološi materiāli ar potenciālu pielietojumu IV paaudzes kodolreaktoros un kodolsintēzes reaktoros. Tomēr tehnoloģiski sarežģīti ir izveidot ODS tēraudu materiālu, kurā būtu liela koncentrācija nanometra izmēru klasteru. Tāpēc šī darba mērķis ir izprast nanodaļiņu (piemēram, Y2O3) veidošanās principus, lai varētu optimizēt ODS tēraudu ražošanas tehnoloģiju. Darba gaitā izveidots kinētiskais Monte Karlo modelis (KMC), kas apraksta nanodaļiņu agregatizāciju vienkāršotā 2D dzelzs režģa gadījumā sub- perkolācijas apgabalā. No KMC modelēšanas datiem iegūta fāzu diagramma, kas ļauj izdalīt trīs klasteru augšanas apgabalus, kā arī iegūts Gibsa-Tomsona novērtējums, kas nosaka šķīdības robežu. Iegūtās kinētikas salīdzinātas ar Ļifšica-Sļozova-Vāgnera (LSW) modeli daļiņu Ostvalda agregatizācijas aprakstam. Tika noteikts, ka nanodaļiņu agregatizācija, kas atbilst eksperimentāliem novērtējumiem, notiek jaunā kinētikas režīmā, pirms tiek sasniegts LSW paredzētais augšanas režīms.

Oxide dispersion strengthened (ODS) steel alloys have shown to be one of the most promising materials for such nuclear applications as Generation IV systems and fusion reactors, due to their high thermal, irradiation creep strength and excellent swelling resistance. However, it is technologically difficult to produce ODS steel alloys with high cluster density and nanometer scale cluster radii. Therefore, the purpose of this work is to understand nanoparticle (such as Y2O3) formation principles to optimise ODS steel manufacturing technology. In this work kinetic Monte Carlo (KMC) model is created for nanoparticle aggregation in simplified 2D iron lattice in sub percolation threshold region. KMC simulation data provide phase diagram which allows one to separate three cluster growth regions as well as to obtain Gibbs-Thomson solubility boundary estimate. Acquired cluster growth kinetics is compared with Lifshitz-Slyozow-Wagner (LSW) theory for particle Ostwald ripening. It was determined that nanoparticle aggregation which agrees with experimental data occurs in a new kinetics regime before reaching actually the LSW predicted growth limit.