弥散强化的铁基和钒基合金在强辐照条件下脆化机理的研究

Compared with conventional austenitic steels, the ferritic/martensitic steels and vanadium alloys possess merits of low long-term activation, high thermal conductivity, and high resistance to irradiation swelling. However, embrittlement of the alloys under severe irradiation conditions as in advanced nuclear reactors is a serious concern. Dispersion strengthened Fe-base and V-base alloys have higher creep strengths and thus show a broader prominent of application in advanced nuclear reactors. Mechanisms underlying the influence of the dispersoids on the radiation resistance of the alloys are important issues. In the present project, we plan to study the increase of ductile-brittle transition temperature (DBTT) in the temperature range below 0.4Tm, and the enhanced creep rupture behavior in the temperature range above 0.5Tm of the two kinds of alloys under intense irradiation conditions, by fully make use of the HIRFL heavy ion beams – their capability to produce radiation damage and to inject inert gas atoms at a macro-scale thickness of the alloy specimens. The research aims to make clear mechanisms underlying the influence of the dispersoids (oxides, Ti-rich particles) on the embrritlement under intense irradiation, and provide a basis of radiation experiment with high-energy heavy ions for further upgrade of the dispersion strengthened Fe-base and V-base alloys.

与传统奥氏体钢相比，铁素体/马氏体钢和钒基合金（V-4Cr-4Ti系列）具有低活化、高导热、抗辐照肿胀的优点，但是在先进核能装置内部强辐照环境（高位移损伤、高浓度He积累）这两类合金的脆化问题有待解决。借助材料强化工艺在合金基体中形成高密度的氧化物弥散相（铁基合金）或富Ti相（钒基合金）可有效提高合金的高温强度，扩大在核能装置的使用温度范围。而弥散相/基体的界面对于合金抗辐照性能的作用机理是一个重要的前沿问题。本项目拟利用HIRFL高能重离子束能够在接近宏观厚度的合金样品中产生级联损伤和注入惰性气体离子的特点，开展强辐照条件两类合金在低于0.4Tm温区延脆转变温度的上升行为，以及高于0.5Tm温区伴随蠕变的晶界型脆化的研究。通过揭示显微结构演化和力学性能变化的对应关系，旨在澄清强辐照条件下弥散相/基体的界面对合金脆化的作用机理，为铁基和钒基合金抗辐照性能的优化提供高能重离子辐照实验的依据。

借助弥散强化工艺在金属材料基体中形成高密度的纳米尺度弥散相，可以有效提高材料高温强度，使得这类弥散强化的合金在核能领域有重要应用前景。在先进核能系统内部强辐照环境（高位移损伤，高浓度He积累）这类合金的弥散相对于材料抗辐照性能的作用机理是个重要的前沿问题。本项研究选择弥散强化的铁基和钒基合金，围绕弥散相/基体界面对于缺陷演化的影响以及对于辐照脆性的作用机理开展研究，借助兰州重离子加速器（HIRFL）提供的高能离子束在宏观厚度的合金样品中产生位移损伤和注入惰性气体原子，借助微小样品试验技术探讨构效关系。项目主要进展在于，首先，在兰州重离子加速器材料辐照终端搭建了新的高能离子辐照靶室系统，具备连续梯度减能，多样品切换，加热/制冷双系统连续控温（-150至650oC）功能。并搭建了与之匹配的小样品试验平台（控温范围-195至450 oC）。从而建立起基于高能离子加速器辐照条件的金属材料辐照脆性的研究评估条件。其次，建立了辐照条件下金属结构材料的微硬度与纳米硬度的关联，以及从高能离子辐照样品的小冲杆试验数据有效提取辐照损伤层的本构关系的方法，为基于离子束辐照手段评价金属材料抗辐照性能提供了基础依据。基于所建立的平台和方法开展高能重离子辐照实验研究，获得了ODS铁素体钢的抗辐照性能随弥散相结构参数变化的定量关系，验证了通过结构优化工艺可以显著改善含Al的ODS铁素体钢的抗辐照性能；获得了ODS铁素体钢中纳米尺寸的氦泡引起材料硬化的强度因子的数值范围，证明OD铁素体S钢中氦泡对于位错运动具有较弱的阻碍作用。界定了可以显著抑制高温氦脆的ODS铁素体钢弥散相界面的吸收尾闾范围。建立了钒合金（V-5Cr-5Ti）结构优化的工艺路线，优化后的材料显示优良的力学性能，进一步开展高能离子辐照实验验证了该材料具有较好的抗辐照性能。上述研究为铁基和钒基合金抗辐照性能的优化提供辐照实验的基础依据。