《Acta Materialia》：高温下氦注入纳米铁素体合金的气泡形成！

核裂变和聚变反应堆中的结构材料必须承受高温、中子辐照损伤和(n,α)嬗变反应产生的氦气。氦(He)与辐射损伤的协同效应会导致结构材料的机械性能发生一定的退化，影响核反应堆的安全。氦气在辐照材料中会导致低温硬化、空腔膨胀和高温晶界脆化，它们最终决定了大多数材料的工作温度和服役时间限制。有人提出，通过增加He捕获点的数量来控制气泡大小或将He与晶界隔离，可以减轻这些负面影响。辐射诱发空位的诱捕可能性、间隙原子和He原子可以通过吸收强度进行量化，这一概念推动了纳米结构铁素体合金(NFAs)的发展，该合金具有工程设计的高吸收强度微观结构，例如通过传统炼钢技术生产的含有碳化物或氮化物析出的可铸态纳米结构合金(CNAs)，通过机械合金技术生产的氧化物分散强化(ODS)合金。多项研究表明，纳米级的分散体在长时间的高温环境下是稳定的，可以增强机械性能，提高材料的抗辐射性能，并将大量氦隔离到小气泡中(气泡与分散体的附着)。然而，仍然缺乏系统的辐照数据显示纳米颗粒的密度及其在铁素体合金中的氨捕获能力(结合能)如何影响高温下的氦气泡密度和尺寸。

美国田纳西大学的研究人员通过扫描/透射显微镜观察了Fe-9/10Cr合金和两种弥散增强纳米合金(CNA3和14YWT)的氦泡形成。表明两种纳米合金中的纳米粒子都能有效捕获He。在纳米结构合金中，可以将氦隔离至更小的气泡中(这导致更低的体积膨胀值，并保护氦不受晶界的影响)来控制非常高的氦浓度。相关论文以题为“Bubble formation in helium-implanted nanostructured ferritic alloys at elevated temperatures”发表在Acta Materialia。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117165

本文使用的合金分别为铁素体合金Fe-9/10Cr(无纳米颗粒)、CNA3(纳米颗粒密度中等)和14YWT(纳米颗粒密度最高)，在所有温度下，He注入材料的腔密度大致为Fe-9/10Cr＜CNA3＜14YWT，与纳米粒子密度直接对应，而空腔大小顺序相反。

研究发现添加高密度纳米颗粒可能会将氦隔离到颗粒-基体界面上分散的小气泡中(与传统合金相比，体积膨胀更小)，并抑制氦向晶界扩散。考虑到纳米粒子密度和总初始吸收强度，当He浓度非常高(高于10000appm)时，纳米粒子密度较高(＞10²² m^-3，对应的吸收强度＞10¹⁵ m^-2)。无纳米颗粒Fe-9/10Cr合金中He的有效活化能随温度而变化，CNA3和14YWT纳米结构合金的相应活化能在500-900℃内几乎恒定。这可能与纳米颗粒抑制奥斯特瓦尔德熟化有关，或者与纳米颗粒相连的氦气泡结合能较高，可以抑制高温下的氦解吸或迁移。

图1 未辐照(a) Fe-10Cr，(b) CNA3和(c) 14YWT材料的TEM图像

图2不同温度下合金中气泡的聚集图像

图3 700℃时He在不同合金中气泡分布的截面TEM图像

发现CNA3中的MX碳化物和14YWT中的Y-Ti-O氧化物在高达900℃的温度下对氨腔表现出高结合能(有益)。在700℃时，14YWT中的分布最均匀，气泡附着在Y-Ti-O氧化物上表现出明显的一一对应关系，而CNA3中的MX碳化物纳米颗粒附着约3-10个小He气泡。这种差异归因于颗粒大小(表面积)和密度(颗粒间距离)的差异。

图4(a)晶界开裂；(b) 900℃下辐照Fe-10Cr中出现的大空洞/气泡；(c)600℃下He注入Fe-10Cr中晶界处出现空洞；(d)750℃和(e)900℃连续退火

图5 不同合金纳米颗粒或晶界的STEM-HAADF图像

本文研究了含不同纳米颗粒密度的铁素体合金中高温空腔的形成以及He吸收机理。在600℃以下，CNA3的空腔密度与Fe-9/10Cr合金相比没有明显的差异，而在高温下与Fe-9/10Cr合金相比，CNA3空腔密度的温度依赖性较弱。在所有研究的温度(500-900℃)下，14YWT合金将氦隔离成精细分散的小气泡，气泡密度和大小几乎不依赖温度。本文为辐照材料的设计和研究提供了理论基础。（文：破风）