ODS合金中高密度界面对氦脆的抑制机理研究

氧化物粒子弥散强化的合金（即ODS合金）中高浓度分布的氧化物纳米粒子的界面一般具有对氦原子强的俘获作用，能够有效抑制氦原子向晶界的扩散和氦泡在晶界处的优先生长，从而显示在核能领域诸如高温和高氦产生率环境中长期使用的潜力。铁基ODS合金制备过程少量Ti、Al、Zr等元素的掺杂会导致形成晶型、界面结构各异的复合氧化物粒子。本项目拟探讨不同复合氧化物粒子的界面处氦的俘获能量、氦泡的形核生长行为的规律，以及氧化物粒子结构参数与晶界型氦脆的关系。实验上拟利用不同能量的惰性气体离子束在样品中引入氦或较重的惰性气体氖，利用热释放谱仪、透射电镜、以及小样品力学性能测试设备等手段研究能量关系、微观结构以及宏观力学性能。基于实验研究建立有关复合氧化物纳米颗粒的界面与氦原子和辐照点缺陷的相互作用模型。

氧化物弥散强化的合金（即ODS合金）内部高浓度分布的氧化物纳米粒子的界面一般具有对氦原子强的俘获作用，能够有效抑制氦原子向晶界的扩散和氦泡在晶界处的优先生长，从而显示在核能领域诸如高温和高氦产生率环境中长期使用的潜力。铁基ODS合金制备过程少量Ti、Al、Zr等元素的掺杂会导致形成晶型、界面结构各异的复合氧化物粒子。探讨不同氧化物粒子与点缺陷和氦原子的相互作用机理对于ODS合金的结构性能优化具有基础研究的重要意义。.本项目研究了含有三种不同氧化物粒子（Y-Al-O、Y-Ti-O、Y-Zr-O）的ODS铁基合金中氦泡的形核生长行为，以及氧化物粒子结构参数对材料氦脆的抑制作用。利用兰州重离子加速器HIRFL和近代物理研究所320kV高压实验平台提供的不同能量的惰性气体离子束，在样品中引入氦或较重的惰性气体氖，利用透射电镜、以及小样品力学性能测试设备等手段研究氦泡在晶粒、界面、晶界处的形核生长规律以及材料力学性能随惰性气体注入剂量和温度的依赖关系。.结果表明，添加Al的ODS合金中，新的制备方法使得氧化物粒子的数密度显著提高（6倍）而平均直径减小为较早材料的3/5，说明可以控制ODS合金中氧化物粒子的结构参数，从而增加氧化物/基体界面面积以提高材料的抗氦脆性能。借助高分辨透射电镜分析，获得了添加Al的ODS合金中氧化物粒子与晶体的半共格匹配关系。氦泡倾向于在氧化物粒子/基体界面的氧化物某些低指数面如（101）、（112）处优先生长。与添加Al或Zr的ODS合金样品相比，添加Ti的ODS合金样品含有较高数密度和较小平均直径的氧化物粒子，从而引入更多氦的俘获中心；注氦实验证实添加Ti的ODS铁素体钢具有较高的抑制氦泡生长的能力，尤其晶界处氦泡生长得到抑制；并且，这种抑制机制通过氧化物粒子界面处对He的直接俘获以及通过氧化物粒子对位错线的钉扎作用间接抑制He的扩散实现的；基于实验研究探讨了复合氧化物纳米颗粒的界面与氦原子和辐照点缺陷的相互作用模型。.同时，搭建了与HIRFL-SFC加速器引出离子能量匹配的、具有离子能量衰减、高温（最高873K）、低温（液氮温度）样品台的材料辐照靶室系统。为进一步推进ODS合金氦脆机理研究创造了条件。