抗辐照、超强、耐高温纳米晶钢的制备和设计机理

In recent years, worldwide research on the irradiation damage in nanomaterials suggests that they have great prospects when applied as the next-generation nuclear materials. However, it has been well-known that nanomaterials have a low thermal stability because they are thermodynamically metastable. Additionally, controlling and optimizing the grain size of practically applicable nanomaterials and making them more radiation-tolerant than conventional large-grained materials remain as an open and challenging scientific problem. We proposed to prepare nanocrystalline stainless steels and their alloys (containing alloying elements) with well-controlled grain sizes by a high-energy ball-milling technique and optimized annealing treatments. We hope to largely increase the thermal stability and strength of nanocrystalline stainless steels by the segregation of alloying solute atoms in grain boundaries and the strengthening of materials via grain boundaries, respectively. In addition, we will thoroughly study the dependence of defects, phase transformation, and mechanical properties on the grain size of irradiated nanocrystalline stainless steels and their alloys by various structural analysis and property testing techniques, aimed at achieving the scientific design principles of strongly radiation-tolerant nanocrystaline stainless steels. Based on the above research, we hope to obtain radiation-tolerant, ultra-strong and thermally stable nanocrystalline stainless steel alloys, overcoming the technical bottleneck of practicably applicable nanocrystalline steels.

近年来刚刚兴起的纳米材料的辐照损伤研究，揭示出纳米材料在新一代核材料中具有巨大的应用前景。但是，众所周知，热力学上亚稳态的纳米材料热稳定性差； 同时，如何控制并优化可以实用化的纳米材料的晶粒尺寸，使其具有比普通的大晶粒材料更强的抗辐照能力， 仍然是一个悬而未决的、极具挑战性的科学问题。本申请拟通过高能球磨法并结合优化的退火处理，可控制备具有不同晶粒尺寸的纳米晶不锈钢以及添加合金化元素的纳米晶不锈钢合金。期望通过合金化溶质原子的晶界偏聚效应及晶粒边界强化效应，大幅度提高纳米晶不锈钢的热稳定性及其强度。同时，利用多种结构分析和性能测试技术，深入研究纳米晶不锈钢及其合金辐照后的缺陷行为、相变行为、力学性能随晶粒尺寸的变化规律，获取设计高度抗辐照纳米晶不锈钢及其合金的设计科学机理。 通过上述科学研究，获得抗辐照、超强、耐高温的纳米晶不锈钢合金，突破纳米晶钢的实用化所面临的技术瓶颈。

近年来刚刚兴起的纳米材料的辐照损伤研究，揭示出纳米材料在新一代核材料中具有巨大的应用前景。但是，众所周知，热力学上亚稳态的纳米材料热稳定性差； 同时，如何控制并优化可以实用化的纳米材料的晶粒尺寸，使其具有比普通的大晶粒材料更强的抗辐照能力， 仍然是一个悬而未决的、极具挑战性的科学问题。本项目通过高能球磨法并结合优化的退火处理、电沉积、高压扭转等合成技术，可控制备具有不同晶粒尺寸的纳米晶不锈钢以及纳米晶或超细晶镁、镍、VNbMoTaW高熵合金，通过合金化溶质原子的晶界偏聚效应和纳米析出相的钉扎效应，大幅度提高了多种纳米晶和超细晶合金的热稳定性，通过纳米晶粒的晶界强化效应，将普通304不锈钢合金的屈服强度从数百MPa提高到2500MPa。同时，利用多种结构分析和性能测试技术，深入研究了退火过程中的微结构变化，揭示了提高纳米晶和超细晶合金的热稳定性科学机理。最终，深入研究了纳米晶不锈钢及其合金辐照后的缺陷行为、相变行为、力学性能随晶粒尺寸的变化规律，发现不锈钢纳米晶化后，高温、高剂量辐照后，由于缺陷的形成与累积得到大幅度的抑制，因而抑制了辐照硬化及相变，且没有任何肿胀，颠覆了前人认为的普通奥氏体不锈钢不抗辐照肿胀的认知。上述科学研究获得的多种纳米晶及超细晶合金，突破了纳米晶合金的实用化所面临的低热稳定性的技术瓶颈，对设计抗辐照、超强、耐高温的纳米晶及超细晶合金具有极其重要的科学指导意义。