掺钇对V-4Cr-4Ti中氦行为的影响

V-4Cr-4Ti合金作为聚变堆结构材料的候选材料备受关注，在V-4Cr-4Ti中掺钇能提高其高温抗氧化能力，前期研究表明钇在V-4Cr-4Ti中以钇氧化物团簇存在，但该团簇对V-4Cr-4Ti的氦脆影响机制有待进一步深入研究。本项目将以不同钇含量的V-4Cr-4Ti合金为对象，采用纳米压痕法表征含钇V-4Cr-4Ti合金的氦脆性能，通过热解析谱了解钇氧化物团簇缺陷中氦原子的存在状态，通过透射电镜观察和正电子湮灭技术研究钇氧化物团簇缺陷对氦泡或氦与空位结合体分布规律的影响，掌握钇氧化物团簇数量、分布影响V-4Cr-4Ti合金氦脆行为的规律，进一步了解并评价钇掺杂影响钒合金中氦行为的微观机制，指导元素法优化钒合金抗辐照及抑制氦脆行为的探索实践。

针对聚变堆结构材料V-4Cr-4Ti合金受氦离子辐照或氚衰变产生的氦脆问题，从理论和实验两方面研究了钇掺杂对V-4Cr-4Ti合金中氦行为的影响；理论研究表明，He在空位处形成能的大小排序，Y(0.4523eV)＜V(1.6741eV)＜Ti(1.8058eV)＜Cr(2.3211eV)，结合迁移势垒的计算结果表明He原子容易积聚在Y的空位处。此外在理论研究方面还开展了TiO2和Y2O3中的氦行为，He在TiO2中稳定的构型为八面体间隙，且很容易沿(001)方向在八面体间隙中迁移，但是在有氧空位的情况下则很容易被氧空位俘获，并且难以从氧空位中扩散出来；He在Y2O3中很容易发生迁移，迁移途径为四面体间隙-八面体间隙-四面体间隙， Y2O3中的O空位对He的迁移基本没有影响。. 微观组织结构研究结果表明，钇掺杂量为0.5%时，合金晶粒组织细小均匀，且Y2O3的粗大夹杂较少。采用SEM、TEM、氦热脱附谱、慢正电子湮灭多普勒展宽技术及纳米压痕等实验手段研究了V-4Cr-4Ti和V-4Cr-4Ti-0.5Y中的氦行为。研究结果表明，当氦离子注入剂量0.1~2×1017ions/cm2时，V-4Cr-4Ti和V-4Cr-4Ti-0.5Y合金表面均无明显变化，且注氦层的辐照硬化程度随注入剂量的增加而增加；剂量为4×1017ions/cm2时，V-4Cr-4Ti和V-4Cr-4Ti-0.5Y合金注氦层硬度下降，V-4Cr-4Ti合金表面起泡和鳞片状剥落现象明显，掺钇降低了表面起泡的数量，较好抑制了鳞片状剥落现象。氦离子注入剂量0.1~4×1017ions/cm2时，钇掺杂对氦释放主峰均无明显影响，但使氦释放反应的活化能有所增加。总之，钇掺杂对V-4Cr-4Ti合金中的氦行为影响较小，但能在一定程度上改善V-4Cr-4Ti合金的抗氦脆性能。