低活化钢主体材料Fe9Cr合金中微观缺陷捕获氢同位素和氦行为研究

Low activation ferritic/martensitic steels have been considered to be the preferred structural materials in the future fusion reactor. However, displacement damage caused by 14 MeV neutron irradiation, hydrogen and helium effect would lead to the changes of the microstructure and mechanical property. Especially the increment of the ductile-to-brittle transition temperature would reduce the service life of the structural materials. Therefore, it is need to do the research of micro-defects capturing hydrogen and helium in this steel. Low activation ferritic/martensitic steels are based on Fe9Cr. Thus, the Fe9Cr alloy will be investigated in this project. The micro-defects will be produced by cold rolling deformation, quenching and ion irradiation, and then the hydrogen and helium atoms will be also introduced by ion implanter. The research of micro-defects capturing hydrogen and helium in Fe9Cr alloy would be investigated by Transmission electron microscope, Positron annihilation technique and Thermal desorption spectroscopy.

低活化铁素体/马氏体钢已被认为是未来核聚变堆首选的结构材料，然而在能量高达14MeV的高能中子辐照和氢、氦效应的综合作用下, 低活化钢的微观结构和力学性能发生急剧变化，特别是韧/脆转变温度上升，会导致结构材料的使用寿命减少。因此必须对低活化钢中微观缺陷捕获氢和氦行为开展深入的实验研究。本项目以低活化钢的主体材料Fe9Cr合金为研究材料，主要通过冷轧形变、高温淬火和离子辐照的方法引入微观缺陷，再采用离子注入的方式引入氢和氦，应用透射电镜、正电子湮没谱学技术和热脱附谱仪等三种手段有机结合起来的方法，利用各自的优点，深入研究Fe9Cr合金不同类型的微观缺陷捕获氢和氦行为。

本项目的主要是以未来聚变堆最具有潜力的首选结构材料低活化钢为研究背景，主要选用其相对简单的主体材料Fe9Cr合金为研究对象。利用形变、淬火、离子辐照的方式在合金中引入微观缺陷，再通过低能或高能的离子注入方式在样品中引入He、H元素。主要利用正电子湮没谱学技术，结合透射电镜、热脱附谱仪等表征技术系统的研究了不同类型微观缺陷捕获He、H行为以及He、H与微观缺陷三者之间的相互作用规律。主要从以下三个方面进行研究，微观缺陷捕获H（D）行为规律；微观缺陷捕获He行为研究；He、H先后注入材料后，He与H之间相互影响研究。主要有三方面的研究发现，第一、H（D）进入到铁基合金中会与材料的空位缺陷结合，即被空位缺陷所捕获形成VnHm（VnDm）复合体结构。氢或氘占据空位后会降低正电子在缺陷中的湮没几率。但是仅需423K的热处理就能破坏这种复合体结构从而导致氢从空位缺陷中脱附出来。第二、从实验上证明He进入到Fe基合金中具有自捕获效应，导致空位缺陷形成。He可以沿着位错线进行长距离扩散，具有较高的扩散深度，在扩散过程中会被空位、位错、空位团簇等缺陷捕获。热脱附实验结果表明He分别从空位脱附温度范围大约在450K~750K内，He从位错的脱附温度在800K~900K范围内，He泡破裂的温度在1400K以上。第三、正电子湮没谱学实验发现氢、氦离子先后注入到Fe9Cr合金中，注入的顺序不同，导致缺陷的变化规律不同。在高温条件下，He、H先后注入到合金中产生的辐照缺陷大于单束He离子辐照和H离子辐照之和。通过本项目的研究，初步建立正电子湮没谱学技术对空位型缺陷与He、H原子相互作用的表征分析方法，扩展了正电子湮没谱学应用。