脉冲激光束亦或电子束辐照条件下金属中点缺陷行为的基础研究

Irradiation damages in crystalline solids are governed by the hehavior of lattice point defect (interstitial and vacancy), well understanding of the sole contribution of each kind of point defect to the radaition damage can not only reveal the mechanisms of swelling, radiaiton induced segregation, stability of paticles on the grain boundary; but also be benefit to control those damages and to decvelope new high reliable structure steels in nuclear reactors. In this project, the laser-HVEM system will be used for perfoming the in-situ pulsed laser beam irradiation to induced excess vacancies into the austenitic steels and ferrite steels; state and diffusion of those vacancies will be declared. By carrying out various laser and/or electron beam irradiations, the nature and stability of grain boundary, precipitates or oxide particals on the grain boundarys will be also studied. The unsolved mechanism of radiation induced segregation at grain boudary will be declared via investigation on the sole contribution of vacancy. Finally, we will revise or provide new models on related mechanisms based on the experimental results. The present project is expected to explore the effective method to control the irradiation damage by simultaneous laser and electron dual-beam irradiation; moreover, it is also expected to provide some fundamental experimental data and theories for the research of new cladding materials.

晶体点缺陷（间隙原子和空位）对材料辐照损伤具有控制性作用，理解并阐明这两种点缺陷对各种辐照损伤的影响，不仅可以揭示辐照肿胀、辐照诱导偏析、晶界上析出相稳定性等现象的机制，更有助对控制这些辐照损伤以及开发新型高可信度核反应堆用结构材料。本项目以核反应堆包壳用奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢为对象，利用激光-超高压电子显微镜系统首先开展脉冲激光束辐照，研究晶体点缺陷的行为，阐明由脉冲激光束辐照诱导的过饱和空位在不同钢中存在的状态和扩散机制。其次，通过各类激光亦或电子辐照，研究不同辐照条件下，晶界、晶界析出相或氧化物颗粒的性质和稳定性。此外，还根据单独研究过饱和空位对辐照损伤现象的影响，揭示尚存争议的关于辐照诱导晶界偏析的机理。最后，以实验数据为基础，修正或者提出新的相关数学模型。本项目期望利用脉冲激光束和电子束双束同时辐照，探求控制辐照损伤的有效方法，为研发新型包壳材料作基础理论参考。

在外太空、核反应堆等环境下服役的晶体材料不可避免地会经受各类高能粒子辐照，从而在材料内部产生辐照偏析、辐照肿胀等辐照损伤现象，这些现象会显著恶化材料的力学性能，故而一直是研究热点和难点；而且在辐照偏析等现象的机制方面，一直存在争议。本质上，所有辐照损伤现象均由晶体点缺陷引起（间隙原子和空位），因此本项目利用脉冲激光-超高压电子显微镜系统，进行激光束抑或电子束辐照在晶体中引入过饱和点缺陷，分因素研究了间隙原子和空位对辐照损伤现象的影响。在300~500 ℃区间内，对SUS316L奥氏体不锈钢进行了电子束辐照、脉冲激光-电子束依次辐照以及脉冲激光+电子束双束同时辐照，通过观察和测定辐照后样品内空洞以及晶界处Cr、Ni浓度，以电子束辐照结果为标准，对比研究了不同辐照条件对辐照肿胀及晶界偏析的影响；分析了空位对三元系合金结构控制的影响；修正了相关数学模型。在450 ℃、500 ℃和550 ℃下对9Cr-ODS铁素体/马氏体钢进行了电子束辐照、依次辐照以及同时辐照，对比研究了不同辐照方式对纳米氧化物形貌、尺寸和化学成分的影响。在不同温度对SUS316L奥氏体不锈钢进行飞秒和纳秒激光辐照，并通过电子背散射衍射技术分析了辐照后样品的晶界类型，研究了不同激光辐照条件对晶界特征分布的影响；在透射电镜下观察脉冲激光辐照样品中的晶体缺陷和孪晶“台阶”，探讨了Σ3晶界的形成机理。相关研究结果表明，辐照过程中，空位对大尺寸元素的扩散起到决定性作用；激光束和电子束双束同时辐照提高了空位与间隙原子的再结合度，导致流入晶界、界面和空洞的点缺陷数量减少，从而有效抑制了辐照肿胀、辐照偏析，降低了氧化物在辐照条件下的不稳定性。本项目研究结果为抑制辐照损伤现象、利用空位扩散进行三元系合金合成过程中的结构控制以及利用激光器进行晶界强化提供了有益思路。