氦氢的协同作用对V-4Cr-4Ti 低温辐照脆性的影响

Vanadium-based alloys have been developed for possible use in the structures of fusion reactors because of their potential for low activation and their attractive high-temperature properties. However, helium and hydrogen, which are produced by nuclear transmutation reaction in fusion reactor make vanadium-based alloys suffer from severe irradiation damage following the degradation of properties. Helium may promote the additional radiation hardening and embrittlement at relatively low temperature which causes the loss of uniform elongation.The effect of hydrogen on the irradiation damage of structural materials have been concerned in recent years,while the helium–hydrogen synergistic effects on irradiation damage need to be investigated. In this research, He and He/H ions would be used to irradiate V-4Cr-4Ti,then high resolution transmission electron microscopy(HVEM) and nanoindentation would be applied to study irradiation embrittlement at low temperature, and explore the recovery method for irradiation hardening and embrittlement. The practical study includes:1) effect of He on irradiation embrittlement of V-4Cr-4Ti at lower temperature; 2) effects of He-H synergy on irradiation embrittlement of V-4Cr-4Ti at lower temperature; 3)the post-irradiation annealing effect on irradiated V-4Cr-4Ti at lower temperature, to investigate the recovery method for irradiation hardening and embrittlement. This study will provide further insight into effects of He-H synergy on irradiation damage in vanadium-based alloy,and explore further advanced materials for improved performance for longer term fusion reactor systems.

作为核聚变堆候选结构材料，钒合金具有低活化性和优异的高温性能。但聚变堆中核嬗变反应产生大量的氦（He）、氢（H），使钒合金遭受严重的辐照损伤，进而导致力学性能恶化。低温下氦可能促进了额外的辐照硬化和脆化，使钒合金的均匀延伸率降低。同时，H与He在辐照中的潜在的协同效应尚不明确。本课题组采用氦离子及氦氢离子双束辐照V-4Cr-4Ti，随后用高分辨透射电子显微镜和纳米压痕法研究了合金的低温辐照脆性，并尝试提出辐照硬化和脆化的低温自恢复方法。具体内容包括：1）氦离子辐照对V-4Cr-4Ti的低温辐照脆性的影响；2）氦氢的协同辐照对V-4Cr-4Ti的低温辐照脆性的影响；3）针对1）2）辐照后的样品进行低温退火，研究辐照硬化和脆化的自恢复方法。本研究将进一步揭示氦氢对钒合金的辐照损伤的影响，以探索更先进的高性能的长期用于核聚变反应堆的结构材料。

作为核聚变堆包层候选结构材料，钒合金受到来自嬗变产物氦、氢的辐照产生微观组织和性能的变化。本课题通过不同温度下氦及氦、氢离子辐照，围绕钒合金中的位错、氦泡、析出等辐照缺陷的演变，分析氦对钒合金的辐照硬化的影响，进而演变到氦氢（He-H）的协同作用对V-4Cr-4Ti合金的辐照损伤的影响，并通过热处理探索了硬化的回复方法。研究表明，室温辐照后点缺陷的存在提高了辐照硬化的程度，300℃辐照后位错环和氦泡贡献于辐照硬化。由于先注入的氦、后注入的氢以及点缺陷相互作用，室温氦+氢离子辐照后的钒合金硬化最明显。纳米压痕测试表明，300℃氦、氢离子辐照的钒合金中除了压痕尺寸效应，还存在软基底效应。讨论了辐照后退火对钒合金的辐照损伤和硬化的影响，通过缺陷团簇和气泡的稳定性，探索了辐照硬化的回复方法。随着保温时间的增加，位错环和气泡的尺寸增大，450℃10小时的退火后，由于位错环和气泡的钉扎作用较强，硬度增加。450℃20小时的退火后，位错环和气泡的相互作用较弱，因此硬度略微回复； 450℃30小时的退火后，较大的位错环逸出自由表面，基体中存在位错线，气泡相互聚集粗化，此时气泡的存在主要影响了硬化，造成硬度再次增加。离子辐照后的钒合金经过800℃的热处理后，硬化部分回复。对300℃氦、氢离子辐照的钒合金进行了600℃10小时的退火处理，研究了析出物的形成以及与气泡的相互作用。600℃10小时辐照退火后，钒合金中出现了板条状析出物，成分为TiO。这些板条状析出物的形成影响了气泡的长大方向，气泡的长大趋向于与板条状析出物的方向一致。本课题进一步揭示了氦氢对钒合金的辐照损伤的影响，对于认识缺陷、位错环、气泡与辐照硬化之间的关系提供了重要的启示性线索，为核聚变反应堆的结构材料的应用提供必要的数据库。同时取得了一系列有特色的创新性成果，项目资助发表论文五篇，其中SCI论文两篇，EI论文一篇，核心论文一篇。参加了两次重要的国际聚变材料会议。培养硕士生两名，在读。项目投入经费20万元，支出15.3086万元，各项支出基本与预算相符。剩余经费4.6914万元，计划用于本项目研究的后续支出。