福島核事故發(fā)生后，安全性更高的事故耐受燃料（ATF）包層引起了全世界的廣泛關(guān)注。作為 ATF 包層最具競(jìng)爭(zhēng)力的候選材料之一，F(xiàn)eCrAl 合金具有低成本和出色的高溫抗氧化性。鉻是鐵鉻鋁合金的主要強(qiáng)化元素。然而，由于富含鉻的α′相從富含鐵的α基體中析出（即旋光分解），導(dǎo)致不良的硬化和脆性，因此含鉻量高（>13 wt.%）的鐵鉻鋁合金在中溫環(huán)境（300∼450 ℃）下長(zhǎng)期用于結(jié)構(gòu)部件的應(yīng)用受到限制。雖然已引入 Nb、Mo 或納米氧化物等其他合金元素來(lái)強(qiáng)化合金，但仍難以滿足對(duì)高強(qiáng)度薄覆層材料的苛刻要求。氧化鋁形成的雙相鐵鎳鉻鋁合金具有優(yōu)異的機(jī)械性能和高溫抗氧化性，一直被視為一種事故耐受燃料包殼材料。

來(lái)自武漢大學(xué)的學(xué)者研究了長(zhǎng)達(dá) 2000 小時(shí)的熱時(shí)效和 3.5 MeV Fe¹³⁺ 離子輻射對(duì) FeNiCrAl 雙相合金的時(shí)效和抗輻射性能的影響。與傳統(tǒng)的鐵鉻鋁合金相比，含有 B2相的鐵素體相顯示出更少的輻射缺陷和更低的輻射硬化率。實(shí)驗(yàn)和分子動(dòng)力學(xué)模擬證明，相干的 B2 相沉淀對(duì)于阻礙位錯(cuò)和抑制輻射誘導(dǎo)缺陷的形成至關(guān)重要。此外，還利用飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜法和原子探針斷層掃描法對(duì) B2 相的鋁耗盡和納米級(jí)析出進(jìn)行了表征。這些發(fā)現(xiàn)有效地揭示了鐵鎳鉻鋁雙相合金在長(zhǎng)期老化和輻射后的微觀結(jié)構(gòu)演變，為設(shè)計(jì)先進(jìn)的事故耐受燃料材料提供了新的啟示。相關(guān)文章以“Integrated effect of aging and heavy ion radiation on FeNiCrAl duplex alloy for accident-tolerant fuel cladding”標(biāo)題發(fā)表在Acta Materialia。

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https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119026

圖 1.(a) FeNiCrAl 和 (b) FeNiCrAlC 中的EBSD 反極性圖；(c) FeNiCrAl 和 (d) FeNiCrAlC 中微觀結(jié)構(gòu)的 SEM 圖像；(e) 400 ℃ 拉伸試驗(yàn)的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(f) 本研究中雙相合金的拉伸機(jī)械性能與之前的 FeCrAl 和雙相不銹鋼 (DPSS) 的比較

圖 2.納米硬度隨深度的變化：(a) FeCrAl、(b) FeNiCrAl 中的鐵素體、(c) FeNiCrAlC 中的鐵素體、(d) FeNiCrAl 中的奧氏體和 (e) FeNiCrAlC 中的奧氏體；(e) 鐵素體的硬化率；(g-h) 不同條件下雙相合金的硬度；(j) 雙相合金中奧氏體的硬化率。

圖 3.在兩個(gè)不同矢量下輻照 (a-b) FeCrAl 和 (c-d) FeNiCrAlC 的 TEM 明場(chǎng)圖像；(e) SRIM 模擬的鐵離子輻射 dpa 和濃度曲線；(f-g) 位錯(cuò)環(huán)密度、環(huán)平均尺寸和 <100> 環(huán)比例的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖 4.(a-b) 鐵鎳鉻鋁中輻照鐵素體的 STEM 圖像；(c) 鐵鎳鉻鋁中鐵素體的 EDS 圖譜和 (d) 線掃描剖面圖；(e)距表面約 400 毫米處高分辨率 TEM 圖像的 IFFT，顯示基體和沉淀之間不同的晶體結(jié)構(gòu)。

圖 5.（a）熱峰值和末期的 Frenkel 對(duì)數(shù)量，插圖顯示了三個(gè)體系最后階段的缺陷分布快照，F(xiàn)e、Ni 和 Al 原子分別用紅球、綠球和藍(lán)球標(biāo)出；（b）Frenkel 缺陷對(duì)數(shù)量隨級(jí)聯(lián)時(shí)間的變化；（c）三個(gè)體系級(jí)聯(lián)末期的簇?cái)?shù)量和大小；（d）純 Fe 和 NiAl 間位錯(cuò)環(huán)的結(jié)合能。

圖 6.（a）第二離子質(zhì)譜隨時(shí)間變化的剖面圖和（b）FeNiCrAlC 中未輻照鐵素體的鋁元素三維重建正視圖；（c）三個(gè)不同深度的未輻照樣品的表面顏色圖；（d）第二離子質(zhì)譜隨時(shí)間變化的剖面圖和（e）FeNiCrAlC 中已輻照鐵素體的鋁元素三維重建正視圖；（f）三個(gè)不同深度的已輻照樣品的表面顏色圖。

圖 7.在 (a) 未經(jīng)過(guò)輻照和 (b) 經(jīng)過(guò)輻照的 FeNiCrAlC 鐵素體中，Al 元素的質(zhì)譜強(qiáng)度分布與深度的函數(shù)關(guān)系，中位數(shù)標(biāo)記為黑點(diǎn)，菱形框的上頂點(diǎn)和下頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)于四分位數(shù)。

圖 8：（a）25%鎳濃度等值面顯示了基體中的大型B2 相和納米級(jí)沉淀；（b）近似直方圖顯示了大型 B2 相界面上的成分剖面

圖 9：（a）鎳濃度為 25%的等值面顯示了基體中的大型 B2 相和納米級(jí)沉淀；（b-c）分別位于距輻照表面約 140 納米和 567 納米處的納米級(jí)沉淀界面上的平均成分剖面圖。

綜上所述，本研究關(guān)注了FeNiCrAl和FeNiCrAlC雙相合金在長(zhǎng)期時(shí)效和3.5MeV鐵離子輻射下的輻射缺陷演變和硬化效應(yīng)。與單相 FeCrAl 相比，含有密集納米相干 B2 沉淀的雙相合金中鐵素體的輻射和時(shí)效硬化率較低，且輻射后奧氏體硬化明顯。根據(jù)目前的研究結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：FeNiCrAl 和 FeNiCrAlC 兩種雙相合金在兩相的協(xié)同作用下，在 400 ℃ 下具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，抗拉強(qiáng)度超過(guò) 0.9 GPa，伸長(zhǎng)率達(dá)到 22%。在 400 ℃ 下老化2000 小時(shí)后，它們?nèi)阅鼙３趾芨叩睦焐扉L(zhǎng)率和稍高的強(qiáng)度。FeNiCrAlC 中鐵素體在時(shí)效和輻射后的硬化率是三種合金中最低的，這是因?yàn)榉稚⒌?B2 相強(qiáng)烈抑制了尖晶分解和輻射缺陷的形成。雙相合金中的奧氏體幾乎不受長(zhǎng)時(shí)間時(shí)效的影響，但其輻射硬化卻很顯著。

3.通過(guò) MD 模擬發(fā)現(xiàn)，與純鐵相比，B2 NiAl 相的存在抑制了熱尖峰前點(diǎn)缺陷的形成。隨著輻射的進(jìn)行，Al 不斷擴(kuò)散到基體中，加速了熱尖峰的形成，促進(jìn)了缺陷的重組，導(dǎo)致存活缺陷和缺陷簇尺寸降低。而 B2 NiAl 相中的大位錯(cuò)環(huán)的結(jié)合能將小于純鐵。在高達(dá) 2.0 × 10¹⁶ 個(gè)離子/平方厘米的鐵離子輻射下，B2 NiAl 相顆粒仍保持結(jié)晶狀態(tài)。B2相中的鋁元素在輻照層中廣泛存在，但隨著植入鐵離子濃度和深度的增加，鋁元素在B2相中重新富集，直至超過(guò)輻照范圍。通過(guò) APT 觀察到，基體中大的 B2 相和納米級(jí)的鎳、富鋁相顆粒中的鋁含量減少，這可能有助于通過(guò)鋁元素的長(zhǎng)程質(zhì)量遷移和再沉淀來(lái)修復(fù)輻射缺陷。