晶界工程在控制RAFM钢高温氦脆中的应用研究

Reduced activation ferritic/martensitic (RAFM) steels are the main candidate structural materials in the future fusion reactor. High-energy fusion neutrons introduce large amounts of helium atoms in RAFM steel through Fe(n,α) reactions and helium bubbles tend to nucleate and grow at grain boundaries which results in embrittlement of grain boundaries. Moreover the high temperatures service environment would exacerbate the effect of embrittlement. So the problem of high temperature helium embrittlement in the grain boundary is one of the problems that RAFM steel must be solved in service in the fusion reactor environment. The current solution to this problem is not yet complete. Grain boundary engineering technology is widely applied to improve various properties of nuclear structural materials such as resistance to irradiation damage, stress corrosion cracking and high temperature creep. In this project, the grain boundary engineering technology was introduced to control the high temperature helium embrittlement of grain boundaries in RAFM steel. Firstly, the microscopic mechanism of grain boundary high temperature helium embrittlement was studied. Then in order to improve the ability of grain boundary to resist high temperature helium embrittlement in RAFM steel, the different thermomechanical treatment processes were explored, which based on the thermomechanical processing scheme in grain boundary engineering. The effects of combination of different heat treatment processes (annealing temperature and time, etc.) and mechanical processing processes (hot rolling and cold rolling, etc.) on the grain boundary distribution of RAFM steels were investigated to improve the distribution ratio of grain boundary with high helium embrittlement resistance. Finally, a grain boundary engineering treatment program for improving the resistance of RAFM steel to high temperature helium embrittlement is proposed.

低活化铁素体马氏体（RAFM）钢是未来聚变堆主要的候选结构材料。由于高能聚变中子会通过Fe(n,α)反应在RAFM钢中引入大量的氦原子，而且氦泡倾向于在晶界处成核长大，导致晶界的脆化，特别是在高温服役环境下尤为突出，所以晶界高温氦脆问题是RAFM钢在聚变堆环境下服役亟待解决的问题之一。目前针对该问题的解决方案还不是很完善。晶界工程技术被广泛地应用于改善各种核结构材料的抗辐照损伤、抗应力腐蚀断裂及抗高温蠕变等性能。本项目将晶界工程技术引入控制RAFM钢晶界高温氦脆的研究中，首先研究晶界高温氦脆的微观机理，然后基于晶界工程中的热机械处理方案，探究不同的热机械处理工艺，即不同的热处理工艺（退火温度和时间等）和机械加工工艺（热轧和冷轧等）相结合，对RAFM钢中晶界分布的影响，以期提高RAFM钢中抗高温氦脆晶界的分布比率。最终给出提高RAFM钢抗高温氦脆能力的晶界工程处理方案。

在未来聚变反应堆的服役环境中，高能聚变中子会在主要候选结构材料——低活化铁素体马氏体（RAFM）钢中引入大量的氦原子。这些氦原子容易在RAFM刚的晶界处聚集成长形成纳米尺度的氦泡，降低晶界的强度和韧性，导致晶界的脆化。这是将RAFM钢应用于未来聚变堆反应堆之前亟待解决的问题之一，但是目前对晶界氦脆的机理认识还不够充分，同时也没有完善的解决方案。鉴于此，本项目通过分子动力学和纳米压痕等模拟和实验技术手段揭示了RAFM钢晶界氦脆的微观机理，表征了RAFM钢中不同类型晶界对氦脆的敏感性，筛选出具有抗氦脆能力的晶界特性和类型；通过晶界工程中的热机械处理技术方案改善了RAFM钢中抗氦脆晶界的分布，通过电子背散射衍射技术（EBSD）表征了RAFM钢中晶界的分布。通过该项目获得的主要研究结果如下：.(1) 基于分子动力学方法对氦泡与晶界的相互作用过程的研究结果表明：RAFM钢中晶界对氦原子的偏聚能力与晶界的特征参数：晶界能、自由体积和错配角等均有密切关系，整体表现为随着晶界能的增加呈现先增加后下降的趋势，其中晶界能和自由体积最低的低重合度值共格孪晶界Ʃ3{112}具有最低的氦原子偏析能力；同时在氦泡的影响下，垂直于晶界平面的单轴拉伸表明：氦泡的存在大幅度降低晶界的强度和延伸率，特别是对于具有很好的塑性变形能力的晶界，氦泡影响下晶界的强度随着晶界错配角的增加而增加，同时晶界的断裂延伸率随着晶界能的增加而降低，同样地共格孪晶界Ʃ3{112}在氦泡的影响下表现出高的断裂延伸率和晶界强度；.(2) 基于氦注入RAFM钢晶界的纳米压痕研究结果表明：氦注入区域晶界的纳米压痕硬度与压痕位置与晶界间的距离有明显关系，随着纳米压痕位置靠近晶界的过程中，压痕硬度呈现先升高后降低再升高的趋势，在距离晶界0.15μm附近的区域表现出最高的硬度值，并进一步通过氦泡与位错的相互作用模拟揭示了氦泡诱导辐照硬化的微观机理；.(3) 对晶界工程处理铁素体/马氏体钢的EBSD表征表明：热机械处理可以较好地提高F/M钢中低重合度值晶界(Ʃ3孪晶界为主)的分布，这有利于改善RAFM钢的抗晶界氦脆性能，对热机械处理工艺的研究表明较高的回火温度(780℃)和中等冷轧制深度(9%)可以获得高比率的低重合度值晶界分布。