奧氏體鋼和鐵素體-馬氏體鋼的離子輻照效應(yīng).pdf

1、奧氏體不銹鋼被廣泛地用于當(dāng)前的商業(yè)沸水堆、壓水堆和部分快堆的堆芯及其附屬結(jié)構(gòu)材料。鐵素體-馬氏體鋼是高劑量反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)候選材料，比如用于聚變堆的第一壁材料，以及快堆的燃料包殼及管道。與奧氏體不銹鋼相比，鐵素體-馬氏體鋼最明顯的優(yōu)勢就是其較高的抗輻照腫脹能力。低活化鐵素體-馬氏體鋼降低或消除了一些長衰變元素，降低了材料的活性，使其在相對短的時間內(nèi)完成衰變，便于退役后淺埋廢料。為了研究奧氏體鋼和鐵素體-馬氏體鋼的輻照性能，并探究輻照溫度、注H

2、e濃度、輻照劑量等對其輻照效應(yīng)的影響，本論文對奧氏體不銹鋼304、316、316(Ti)以及國產(chǎn)鐵素體-馬氏體鋼CNSⅠ和CNSⅡ進行了不同溫度、不同注He量、不同劑量的Fe++輻照。主要結(jié)果如下:
　　(1)研究了輻照溫度對奧氏體不銹鋼輻照效應(yīng)的影響。對304不銹鋼進行了不同溫度的Fe++輻照，注He量為0，輻照劑量為25dpa，輻照溫度為300℃、350℃、400℃、450℃、500℃、550℃、600℃。研究發(fā)現(xiàn)，在輻照溫度

3、為300℃～450℃時，材料中沒有出現(xiàn)空位團，腫脹率為0，在樣品輻照區(qū)出現(xiàn)了大量位錯環(huán)和黑點缺陷。在輻照溫度為500℃～600℃時均觀察到空位團，且腫脹率隨輻照溫度的升高而升高，600℃時的腫脹率為0.13％。在溫度過低時（＜0.2Tm，Tm是材料熔點），空位的遷移系數(shù)低，空位團不易遷移并聚集，腫脹低;在溫度過高時(＞0.6Tm)，材料中空位的熱平衡濃度增大，空位的過飽和度降低，空位團形核的驅(qū)動力降低，降低腫脹。所以腫脹會在中間溫度時出

4、現(xiàn)峰值。本論文離子輻照實驗得出的奧氏體不銹鋼的腫脹峰值溫度為≥600℃，而奧氏體不銹鋼中子輻照的腫脹峰值溫度為～500℃，這樣的差別是由于離子輻照的劑量率比中子輻照大5個數(shù)量級。通過計算得知，對于奧氏體不銹鋼來說，620℃的離子輻照可以模擬500℃的輻照效應(yīng)。
　　(2)對比了三種奧氏體鋼304、316、316(Ti)的抗輻照腫脹性能。輻照溫度為600℃，注He量為100appm，輻照劑量為25dpa、50dpa、100dpa。隨

5、著輻照劑量的增加，三種鋼的腫脹都增加。對比這三種鋼的腫脹數(shù)據(jù)，在低劑量(25dpa和50dpa)下，304的腫脹最大，316次之，316(Ti)的腫脹最低，是前兩者的腫脹的1/17～1/5。劑量升高到100dpa后304和316的腫脹率基本一致，為20％，316(Ti)的腫脹約是前兩者的1/2。這三種奧氏體不銹鋼的抗輻照腫脹性能排序為:316(Ti)＞316＞304。
　　(3)為了研究高劑量離子輻照對鐵素體-馬氏體鋼輻照效應(yīng)的影

6、響，對國產(chǎn)鐵素體-馬氏體鋼CNSⅠ和CNSⅡ進行了高劑量Fe++輻照，輻照溫度為460℃，預(yù)注He濃度為10appm和100appm，輻照劑量為188dpa、375dpa、450dpa。隨著輻照劑量的增加，CNSⅠ和CNSⅡ的腫脹增加，CNSⅠ的最大腫脹達到10.2％，而CNSⅡ的腫脹遠(yuǎn)小于CNSⅠ，最大腫脹為0.25％。它們的抗輻照腫脹性能遠(yuǎn)優(yōu)于奧氏體不銹鋼。同一條件下輻照的美國鐵素體-馬氏體鋼HT-9和T91的腫脹大于CNSⅠ。CN

7、SⅠ和CNSⅡ的抗輻照腫脹性能優(yōu)異，尤其是CNSⅡ，腫脹比其他三種鋼小1～2個數(shù)量級。CNSⅠ和CNSⅡ原始樣品中的析出相有M23C6和MX。高劑量離子輻照后，MX被溶解、M23C6發(fā)生了部分溶解。CNSⅡ輻照后產(chǎn)生了高密度棒狀析出相(Fe，Cr)2C。(Fe，Cr)2C引入了大量共格界面，這些共格界面可以作為空位和間隙原子的“釘扎點”，使空位和間隙原子在此界面處聚集，增強空位和間隙原子的回復(fù)，從而降低過飽和空位濃度，降低腫脹。輻照誘發(fā)

8、(Fe，Cr)2C的析出是CNSⅡ腫脹性能優(yōu)異的一個重要原因。
　　(4)討論了He濃度對輻照腫脹的影響。分析304不銹鋼和CNSⅠ的腫脹數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)He濃度的升高造成了空位團密度增大、尺寸減小。與之對應(yīng)的是He對空位團形核及空位團長大的影響。根據(jù)臨界氣泡-空位團理論，He會降低空位團形核的臨界尺寸，促進空位團形核，造成材料中空位團密度增加。在過飽和空位總數(shù)不變的情況下，平均到每個空位團的空位數(shù)量減少，造成空位團尺寸減小。同時高密度空

9、位團本身也是有效的“陷阱”，會抑制空位團的生長。He濃度對腫脹的影響與輻照劑量有關(guān):在較低劑量下(304不銹鋼:25dpa和50dpa; CNSⅠ:188dpa)，腫脹過程以空位團形核為主，空位團密度對腫脹率的貢獻大，He濃度升高使空位團密度大幅增大，繼而增大腫脹;在較高劑量下(304不銹鋼:100dpa; CNSⅠ:375dpa和450dpa)，腫脹過程以空位團長大為主，空位團尺寸對腫脹的貢獻更大，He濃度升高使空位團尺寸降低，繼而降