2016, Vol. 62
文章信息
- 郑中成, 郭立平, 张伟平, 罗凤凤, 任遥遥, 李岩, 乔岩欣, 唐睿
- ZHENG Zhongcheng, GUO Liping, ZHANG Weiping, LUO Fengfeng, REN Yaoyao, LI Yan, QIAO Yanxin, TANG Rui
- 氢离子辐照对AL-6XN不锈钢微观结构的影响
- Effect of Hydrogen Ion Irradiation on the Microstructure of AL-6XN Stainless Steel
- 武汉大学学报(理学版), 2016, 62(6): 502-506
- Journal of Wuhan University(Natural Science Edition), 2016, 62(6): 502-506
- http://dx.doi.org/10.14188/j.1671-8836.2016.06.002
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文章历史
- 收稿日期：2014-03-06
引用本文
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2. 苏州热工研究院有限公司 电站寿命管理中心，江苏 苏州 215004 ;
3. 中国核动力研究设计院 核反应堆系统设计技术重点实验室，四川 成都 610041
2. Power Plant Life Management Research Center, Suzhou Nuclear Power Research Institute, Suzhou 215004, Jiangsu, China ;
3. Science and Technology on Reactor System Design Technology Laboratory, Nuclear Power Institute of China, Chengdu 610041, Sichuan, China
2002年5月, 在巴黎举行的第四代核能系统国际论坛(GIF)选出了6种优先发展的第四代核能系统.超临界水冷堆(supercritical water-cooled reactor，SCWR)是其中最有希望实现的概念堆型之一[1].超临界水冷堆与目前的水冷堆相比具有技术上的先进性，包括：热效率较高(接近44%，而常规次临界轻水堆的热效率只有33%左右)，系统结构化，安全性好，经济性良好，核燃料利用率高(理论上可以达到10%)[1, 2].由于该反应堆在水的临界点(374 ℃，22.1 MPa)以上运行、核燃料富集度高，具有抗高温、高压和高辐照剂量等特点[3, 4]，因此对结构材料提出了更高的要求.超临界水冷堆的堆内构件材料应当具有优异的机械性能、耐腐蚀性能、低的应力腐蚀敏感性以及良好的抗辐照性能[5].
辐照是超临界水冷堆中对材料有重大影响的因素之一.辐照不仅能改变材料本身的微观结构也能改变冷却工质的化学构成，对材料的长时间服役有巨大的影响[6].奥氏体不锈钢以其优越的耐腐蚀性能和良好的机械性能[5~9]，成为超临界水冷堆的堆内构件的候选材料之一.但是关于奥氏体不锈钢AL-6XN抗辐照性能的研究却鲜有报道.本文以奥氏体不锈钢AL-6XN为研究对象，研究氢离子辐照对其微观结构的影响，并详细研究了辐照剂量和辐照温度对位错环形成的影响.
1 实验部分实验材料为奥氏体不锈钢AL-6XN，主要化学成分(质量分数)为：C 0.013%，S 0.005%，P 0.024%，Si 0.150%，N 0.215%，Cu 0.340%，Co 0.350%，Mn 0.390%，Mo 6.200%，Cr 20.390%，Ni 23.750%，Fe 48.170%，由苏州热工研究院有限公司提供.
电镜样品制备过程：先把块状的AL-6XN切割成尺寸为20 mm×15 mm×0.5 mm，用80#~1 200#的砂纸逐步机械减薄至100 μm，再冲成直径为3 mm的标准小圆片，然后, 用1 200#~2 000#砂纸进一步减薄至40~50 μm.最后，用电解双喷减薄的方法制作成透射电镜样品.实验减薄的仪器为MTPA-5双喷电解减薄仪，电解液为10%高氯酸和90%冰乙酸溶液，减薄温度为室温.
H2+辐照实验在武汉大学加速器实验室的加速电压为200 kV离子注入机上完成，注入H2+的能量为100 keV，辐照温度为290 ℃和380 ℃，辐照剂量为0.5 dpa和1.0 dpa (displacement per atom)，共4组辐照样品，用以对比在不同辐照温度和不同辐照剂量下材料微观结构的变化.通过透射电镜(TEM)观察样品在辐照前后微观结构的变化.所用透射电镜型号JEM-2010FEF.
2 结果与讨论图 1为AL-6XN未辐照样品的TEM微观结构图，AL-6XN本身基体中基本观察不到缺陷.图中黑线为TEM观察时产生的等厚干涉条纹.
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| 图 1 未辐照AL-6XN的微观结构TEM图 Figure 1 TEM image of microstructure in unirradiated AL-6XN |
图 2为290 ℃ H2+辐照后AL-6XN的微观结构，所有电镜照片均是在[011]带轴附近的g=200条件下拍摄，每幅TEM照片的右上角标注了g的方向.可以发现，氢离子辐照在AL-6XN样品中产生了黑斑缺陷，数密度很大，且分布较均匀，并没有产生可观察的微空洞.图 3为高倍数下观察黑斑缺陷，并在同一区域进行明场像和暗场像的比较，图中白色箭头标注了同一黑斑缺陷在眀场和暗场下的不同形貌，明场像下为边缘黑色中间白色的环状结构，暗场像下正好相反，是典型的位错环结构，以此可确定这些黑斑缺陷为小尺寸的位错环.
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| 图 2 290 ℃ H2+辐照后AL-6XN的微观结构TEM图 (a) 0.5 dpa；(b) 1.0 dpa；均在g=200条件下拍摄 Figure 2 TEM images of microstructure in AL-6XN irradiated by H2+ at 290 ℃ (a) 0.5 dpa; (b) 1.0 dpa; in the condition of g=200 |
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| 图 3 290 ℃辐照0.5 dpa后AL-6XN中产生位错环形貌的TEM图 (a)明场像；(b)暗场像；均在g=200条件下拍摄(箭头所指为同一黑斑缺陷) Figure 3 TEM images of dislocation loops in AL-6XN irradiated to 0.5 dpa by H2+ at 290 ℃ (a) Bright image; (b) Dark image; in the condition of g=200 (both arrows point the same one black dock) |
对样品中位错环的数密度及其尺寸分布进行定量分析.尺寸分布如表 1所示，位错环的直径范围在0~14.0 nm之间，辐照剂量为0.5 dpa和1.0 dpa，位错环的平均直径分别为3.8 nm和5.6 nm，位错环的数密度分别为4.2×1022m-3和3.4×1022m-3.结果表明，随着辐照剂量增加，位错环的直径分布范围增大，平均直径增大，数密度有所减小.
| 位错环直径 /nm | 数量百分比/% | ||
| 0.5 dpa | 1.0 dpa | ||
| (0, 2) | 11.9 | 3.9 | |
| [2, 4) | 50.0 | 32.4 | |
| [4, 6) | 27.0 | 26.5 | |
| [6, 8) | 7.9 | 16.7 | |
| [8, 10) | 3.2 | 12.7 | |
| [10, 12) | 0 | 4.9 | |
| [12, 14) | 0 | 2.9 | |
图 4为380 ℃ H2+辐照后AL-6XN的微观结构，照片拍摄条件为g=200，可以发现辐照产生了大尺寸的位错环，小尺寸位错环非常少.
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| 图 4 380 ℃ H2+辐照后AL-6XN的微观结构TEM图 (a) 0.5 dpa；(b) 1.0 dpa；均在g=200条件下拍摄 Figure 4 TEM images of microstructure in AL-6XN irradiated by H2+ at 380 ℃ (a) 0.5 dpa; (b) 1.0 dpa; in the condition of g=200 |
表 2为位错环的尺寸分布，绝大多数位错环的直径在10~70 nm之间，说明高温(380 ℃)下氢离子辐照产生的缺陷及位错环聚集形成大尺寸的位错环.对位错环做定量统计分析，0.5 dpa和1.0 dpa的样品位错环的平均直径分别为27.1 nm和41.5 nm，数密度分别为2.6×1021 m-3和4.1×1021 m-3.随着辐照剂量的增加，大尺寸位错环的平均尺寸和数密度都有显著的增加.
| 位错环直径 /nm | 数量百分比/% | |
| 0.5 dpa | 1.0 dpa | |
| [10, 20) | 21.7 | 2.7 |
| [20, 30) | 39.2 | 27.0 |
| [30, 40) | 30.4 | 18.9 |
| [40, 50) | 8.7 | 24.3 |
| [50, 60) | 0 | 16.2 |
| [60, 70) | 0 | 5.5 |
| [70, 80) | 0 | 2.7 |
| [80, 90) | 0 | 2.7 |
入射粒子与晶格原子相互作用，引发级联碰撞，从而形成辐照缺陷.辐照产生的空位或间隙原子凝聚在一起形成近似圆形的盘片，盘片附近的原子面再塌陷下来，这种缺陷聚集形态就是位错环[10].万强茂等人[11]对A508-3钢的质子辐照实验结果说明，较小剂量质子辐照没有产生可观察的微空洞，辐照缺陷主要是位错环，位错环均匀分布在基体内.Ono等人[12]通过原位电镜观察技术发现，氢离子注入会增加位错环的产生，注氢产生的氢-空位复合体对位错环的形成起到形核作用.本实验通过氢离子辐照AL-6XN，TEM结果显示, 其内部形成了高密度的位错环，可能源自于氢-空位复合体对位错环形核的促进作用.
Jin等人[13]在研究氩离子辐照对奥氏体钢辐照损伤时发现，在较低的辐照温度(290 ℃)下，HR3C钢的基体中出现高密度的位错环，位错环的平均尺寸随着辐照剂量的增大而增大，数密度随着辐照剂量的增大而降低.奥氏体钢HR3C在较高的辐照温度(550 ℃)下，出现大尺寸的位错环.这与本实验的结果相似.另有诸多研究[14~16]都表明随辐照剂量增加，位错环尺寸增大.
辐照剂量越大，产生的缺陷越多，缺陷的尺寸和数密度都会增加.本文中，氢离子辐照AL-6XN不锈钢产生的缺陷主要是位错环，没有观察到微空洞的出现.两种辐照温度下，位错环尺寸都随辐照剂量的增加而增大，在较低的辐照温度(290 ℃)下，数密度反而随着辐照剂量的增大而降低，这与位错环的聚集长大有关，多个小尺寸的位错环聚集融合成一个大的位错环，而位错环的聚集长大降低了数密度.
3.2 辐照温度对微观结构的影响Jia等人[17]在140、175、210、255、295和360 ℃下对F82H钢进行中子和质子辐照10~12 dpa，研究了辐照温度对F82H钢的微观结构的影响.他们发现当辐照温度低于255 ℃时，黑斑缺陷数密度随温度的变化较小，但是在高于255 ℃辐照时，随着辐照温度的升高，缺陷的数密度明显地降低.当辐照温度低于235 ℃，黑斑缺陷的尺寸随温度变化很小，但是，当辐照温度更高时，它们的尺寸随着温度升高明显增大.本实验的两个辐照温度均在255 ℃以上，所以, 位错环的尺寸和数密度随温度变化非常显著.
位错环在形成和演化的过程中受温度影响的机理研究比较少.黄依娜等人[18]在纯铁中注氢对位错环研究时也发现，室温下注氢会产生大量小的缺陷，在经过时间很短(15 min)高温时效处理后，小的缺陷和位错环会聚集成大尺寸的位错环.这是由于高温能够促进位错环的迁移和相互作用.
本实验中，在较低的辐照温度(290 ℃)下，样品中出现高密度小尺寸位错环，绝大多数直径为1~10 nm；高温(380 ℃)辐照产生的则是较低密度大尺寸的位错环，绝大多数直径为10~70 nm.随温度升高，位错环的尺寸显著增加，数密度则降低了一个数量级.这是由于高温能够促进缺陷的迁移和相互作用，从而使部分缺陷融合湮没，部分缺陷聚集长大.氢离子辐照AL-6XN产生的缺陷主要是位错环，高温的作用表现为：极大地降低了位错环的数密度，显著增大了位错环的尺寸.同时也能够解释在高温下几乎观察不到小尺寸的位错环.由此可见，辐照温度对于材料的辐照效应有着显著的影响.
4 结论利用100 keV的H2+辐照AL-6XN，在290 ℃、380 ℃下，分别进行0.5 dpa和1.0 dpa辐照，没有产生可观察到的微空洞.电镜结果表明, 辐照产生的缺陷主要是位错环，推测是由于氢离子注入产生的氢-空位复合体对位错环的形成起到形核作用，从而促进位错环的产生.本文从温度和辐照剂量对位错环形成的影响进行了分析.低温时(290 ℃)，随辐照剂量变大，产生的位错环尺寸增大，数密度减小；高温时(380 ℃)随辐照剂量变大，位错环的尺寸和数密度都增大.提高辐照温度有利于位错环的聚集长大.位错环是辐照产生的特有微观结构，位错环的产生会促进材料的硬化，AL-6XN在氢离子辐照后产生了高密度的位错环，其辐照硬化问题值得进一步研究.
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