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导言

第四代裂变反应堆和聚变反应堆的发展需要能够承受极端辐照环境的材料。裂变反应堆中的燃料包壳和聚变反应堆中的第一壁材料，将在高温下受到高能中子的辐照，并通过嬗变反应产生氦原子。氦原子在金属材料中的溶解度极低，很容易以氦泡的形式析出。高温下氦原子的聚集会导致大氦泡的形成和晶界蠕变空洞的产生，从而发生氦脆导致核材料机械性能下降，最终影响核材料的使用寿命。因此，如何将大尺寸氦泡弥散成小尺寸氦泡是新一代反应堆抗辐照材料的一个关键问题。

在材料中引入高密度的缺陷陷阱，如晶界和纳米析出相，是防止氦原子聚集形成粗大氦泡的有效方法，这样可以降低氦脆的风险。纳米晶金属中高密度晶界作为缺陷陷阱，一方面通过吸收间隙原子，重新释放与附近的空位结合，促进点缺陷湮灭来提高材料的抗辐照特性。另一方面，晶界上有吸附氦原子的位点，降低了氦原子沿晶界的聚集和生长，提高材料的抗氦胀性能。但在高温条件下，纳米晶会出现明显的晶粒长大现象，会直接影响纳米晶金属材料的使用。含有高密度纳米氧化物的ODS钢基体和纳米氧化物（Y-Ti-O和Y-Zr-O纳米团簇）之间的界面可以提供大量的缺陷陷阱，使得辐照产生的空位和间隙原子在此聚集湮灭。此外，基体和纳米氧化物界面可以作为捕获点来吸附氦原子，弥散氦泡为纳米尺寸，抑制氦泡聚集长大。然而，ODS钢通常是超细晶，基体的晶粒尺寸位于100 nm至1000 nm之间。将ODS钢的晶粒尺寸减少到纳米尺寸，就会增加晶界的体积分数，从而可以进一步提高材料的抗辐照性能。

在本工作中，通过机械合金化和新型超高压固化方法制备了平均晶粒尺寸为50 nm（Y50）的纳米晶铁素体合金和平均晶粒尺寸为300 nm（Y300）的超细晶铁素体合金。对这两种合金分别在350 ℃、400 ℃和450 ℃下注入氦离子。透射电镜表征发现，原始纳米晶ODS合金具有良好的高温稳定性能。注氦后高密度晶界作为主要的缺陷陷阱，通过有效地吸收氦原子，极大地降低了氦泡粗化的程度。相关研究成果以题为“Highly stable nanocrystalline oxide dispersion strengthened alloys with outstanding helium bubble suppression”论文发表在“Journal of Nuclear Materials” 期刊上。

主要结果

纳米晶ODS合金Y50采用机械合金化和超高压固化的方法制备。原始晶粒尺寸50 nm的Y50合金经过800 ℃高温退火180 h后，平均晶粒尺寸增长到80 nm左右，表现出优异的高温稳定性能（如图1所示）。高角环形暗场相表征后统计出Y50合金中纳米析出相的尺寸在3.3 ± 1.9 nm，密度是 1.69 × 10²³/m², EDS能谱显示原始样品中纳米析出相是Y-Zr-O（如图2所示），高分辨表征结果显示纳米析出相是Y₄Zr₃O₁₂和Y₂Zr₂O₇（如图3所示）。

图1 Y50合金TEM明场相表征：(a) 原始样品，(b) 800 ℃退火180 h

图2 (a, b) Y50基体中纳米氧化物的高角环形暗场相，(c-g) Fe, Cr, O, Zr和Y元素能谱

图3 Y50中纳米氧化物的高分辨结构： (a) Y₄Zr₃O₁₂, (b) Y₂Zr₂O₇

纳米晶Y50合金和超细晶Y300合金注入1×10¹⁷/cm²的氦离子后，氦泡在晶界的分布与氦浓度相关。氦浓度低于2%，晶界弥散作用使得晶界上的氦泡尺寸小于基体氦泡尺寸，并且出现了氦泡消失区域（Bubble Denuded Zone--BDZ）。浓度高于3%，氦泡在晶界上聚集长大，晶界上氦泡尺寸大于基体氦泡尺寸，随着氦浓度增加，BDZ宽度逐渐减小并消失（如图4和图5所示）。

图4. Y50在400℃下不同氦浓度（1% - 5%）的氦泡分布

图5 . Y300在350℃下不同氦浓度（1% - 5%）的氦泡分布

氦原子在金属中与空位具有较高的结合能，易形成氦-空位团簇，并逐渐成长为氦泡。当氦浓度较低时，晶界可以提供大量的缺陷陷阱吸附晶界附近的氦原子，从而出现尺寸较大的BDZ，并且晶界可以进一步弥散氦原子，防止形成大尺寸氦泡，因此晶界的氦泡尺寸比基体中的小。随着氦浓度的增加，BDZ宽度减小，当沿晶界的氦浓度达到饱和时，晶界附近基体的氦原子很难运动到晶界上，BDZ的消失，并且氦泡在晶界上聚集长大（氦泡在晶界上的演变机制如图6所示）。采用球差电镜表征发现在高浓度处氦泡通过管道扩散机制沿着晶界迁移，相互结合形成粗大不规则形状的氦泡（如图7所示）。

图6 氦泡在晶界上的作用机制

图7 在高浓度处，氦泡在晶界上通过管道扩散机制相互聚集长大

结论

纳米晶ODS合金具有优异的高温稳定性能。通过氦泡在晶界上的作用机制发现在低浓度时，晶界具有强的弥散氦泡的作用，在高浓度下氦泡在晶界上通过管道扩散机制相互聚集长大，并且随着氦浓度的增加，氦泡消失区域的宽度逐渐减小，最终消失。因此可以通过减小晶粒尺寸来增加晶界密度的方法抑制ODS合金中氦泡粗化。