氢离子辐照对AL-6XN不锈钢微观结构的影响

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 1 first-author 郑中成, 男, 博士生,现从事核技术在材料科学中应用的研究.E-mail:E-mail:zhenzcwhu.edu.cn 郑中成, 男, 博士生,现从事核技术在材料科学中应用的研究.E-mail: E-mail:zhenzcwhu.edu.cn E-mail:zhenzcwhu.edu.cn 1 corresp 郭立平, E-mail:guolwhu.edu.cn 郭立平, E-mail:guolwhu.edu.cn guolwhu.edu.cn 1 1 1 2 2 3 武汉大学 物理科学与技术学院，湖北 武汉 430072 武汉大学 物理科学与技术学院，湖北 武汉 430072 School of Physics and Technology, Wuhan University, Wuhan 430072, Hubei, China School of Physics and Technology, Wuhan University, Wuhan 430072, Hubei, China 苏州热工研究院有限公司 电站寿命管理中心，江苏 苏州 215004 苏州热工研究院有限公司 电站寿命管理中心，江苏 苏州 215004 Power Plant Life Management Research Center, Suzhou Nuclear Power Research Institute, Suzhou 215004, Jiangsu, China Power Plant Life Management Research Center, Suzhou Nuclear Power Research Institute, Suzhou 215004, Jiangsu, China 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 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 Science and Technology on Reactor System Design Technology Laboratory, Nuclear Power Institute of China, Chengdu 610041, Sichuan, China Science and Technology on Reactor System Design Technology Laboratory, Nuclear Power Institute of China, Chengdu 610041, Sichuan, China 奥氏体不锈钢是超临界水冷堆的堆内构件的候选材料之一，本文实验以奥氏体不锈钢AL-6XN为对象，研究了氢离子辐照对奥氏体钢微观结构的影响.在290 ℃和380 ℃下用100 keV的H 2 + 辐照，辐照剂量分别为0.5 dpa和1.0 dpa (displacement per atom).在290 ℃下, 随辐照剂量增加，位错环平均直径从3.8 nm增加到5.6 nm，数密度略有下降.在380 ℃下辐照，产生了大尺寸位错环，随着剂量增加，位错环平均直径和数密度显著增加.实验结果表明，氢离子辐照AL-6XN不锈钢产生的缺陷主要是位错环，随辐照剂量增加，产生的位错环尺寸增大，提高辐照温度有利于位错环的迁移和聚集长大. Austenite stainless steel is one of the candidate structure materials of supercritical water-cooled reactor. The effect of hydrogen ion irradiation on the microstructure of AL-6XN austenitic stainless steel was investigated in this paper. The specimens were irradiated with 100 keV H 2 + to a dose of 0.5 and 1.0 dpa (displacement per atom) at 290 ℃ and 380 ℃, respectively. At the temperature of 290 ℃, with the increasing dose from 0.5 dpa to 1.0 dpa, the mean diameter of the dislocation loops increases from 3.8 to 5.6 nm, while the number density decreases. However, at the temperature of 380 ℃, both the mean diameter and number density increase with the increasing dose from 0.5 to 1.0 dpa. The result indicates that dislocation loop is the main effect of hydrogen ion irradiation in this experiment. The size of dislocation loops increases with the increasing irradiation dose, and elevated irradiation temperature can promote the migration, aggregation and growth of dislocation loops. 超临界水冷堆 不锈钢 辐照 位错环 supercritical water-cooled reactor AL-6XN stainless steel irradiation dislocation loops 引言 1 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 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 1 , 2 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 3 , 4 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 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 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 5 ~ 9 9 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. 实验部分 1 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. H 2 + 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H 2 + 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. 结果与讨论 1 图 1 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. 290 ℃ H 2 + 辐照实验结果 2 图 2 图 2 为290 ℃ H 2 + 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 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. (a) 0.5 dpa；(b) 1.0 dpa；均在g=200条件下拍摄 (a) 0.5 dpa; (b) 1.0 dpa; in the condition of g =200 (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) (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 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4.2×10 22 m -3 和3.4×10 22 m -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. 2 位错环直径 /nm 3 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 2.9 380 ℃ H 2 + 辐照实验结果 2 图 4 图 4 为380 ℃ H 2 + 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. (a) 0.5 dpa；(b) 1.0 dpa；均在g=200条件下拍摄 (a) 0.5 dpa; (b) 1.0 dpa; in the condition of g =200 表 2 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2.6×10 21 m -3 和4.1×10 21 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. 2 位错环直径 /nm 2 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 讨论 1 辐照剂量对微观结构的影响 2 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 10 ] .万强茂等人 [ 11 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 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 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 14 ~ 16 16 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. 辐照温度对微观结构的影响 2 Jia等人 [ 17 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 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. 结论 1 利用100 keV的H 2 + 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. 参考文献 程旭, 刘晓晶.超临界水冷堆国内外研发现状与趋势[J].原子能科学技术, 2008, 42(2): 167-172. 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