武大《Acta Materialia》：熱老化和重離子輻射對FeNiCrAl雙相合金的影響
2023-12-07 11:52:41
作者：材料基 來源：材料基
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福島核事故發生后，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注。作為 ATF 包層最具競爭力的候選材料之一，FeCrAl 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境（300∼450 ℃）下長期用于結構部件的應用受到限制。雖然已引入 Nb、Mo 或納米氧化物等其他合金元素來強化合金，但仍難以滿足對高強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異的機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。來自武漢大學的學者研究了長達 2000 小時的熱時效和 3.5 MeV Fe13+ 離子輻射對 FeNiCrAl 雙相合金的時效和抗輻射性能的影響。與傳統的鐵鉻鋁合金相比，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。實驗和分子動力學模擬證明，相干的 B2 相沉淀對于阻礙位錯和抑制輻射誘導缺陷的形成至關重要。此外，還利用飛行時間二次離子質譜法和原子探針斷層掃描法對 B2 相的鋁耗盡和納米級析出進行了表征。這些發現有效地揭示了鐵鎳鉻鋁雙相合金在長期老化和輻射后的微觀結構演變，為設計先進的事故耐受燃料材料提供了新的啟示。相關文章以“Integrated effect of aging and heavy ion radiation on FeNiCrAl duplex alloy for accident-tolerant fuel cladding”標題發表在Acta Materialia。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 中微觀結構的 SEM 圖像；(e) 400 ℃ 拉伸試驗的工程應力-應變曲線；(f) 本研究中雙相合金的拉伸機械性能與之前的 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.在兩個不同矢量下輻照 (a-b) FeCrAl 和 (c-d) FeNiCrAlC 的 TEM 明場圖像；(e) SRIM 模擬的鐵離子輻射 dpa 和濃度曲線；(f-g) 位錯環密度、環平均尺寸和 <100> 環比例的統計結果圖 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構。圖 5.（a）熱峰值和末期的 Frenkel 對數量，插圖顯示了三個體系最后階段的缺陷分布快照，Fe、Ni 和 Al 原子分別用紅球、綠球和藍球標出；（b）Frenkel 缺陷對數量隨級聯時間的變化；（c）三個體系級聯末期的簇數量和大小；（d）純 Fe 和 NiAl 間位錯環的結合能。圖 6.（a）第二離子質譜隨時間變化的剖面圖和（b）FeNiCrAlC 中未輻照鐵素體的鋁元素三維重建正視圖；（c）三個不同深度的未輻照樣品的表面顏色圖；（d）第二離子質譜隨時間變化的剖面圖和（e）FeNiCrAlC 中已輻照鐵素體的鋁元素三維重建正視圖；（f）三個不同深度的已輻照樣品的表面顏色圖。圖 7.在 (a) 未經過輻照和 (b) 經過輻照的 FeNiCrAlC 鐵素體中，Al 元素的質譜強度分布與深度的函數關系，中位數標記為黑點，菱形框的上頂點和下頂點對應于四分位數。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 納米處的納米級沉淀界面上的平均成分剖面圖。綜上所述，本研究關注了FeNiCrAl和FeNiCrAlC雙相合金在長期時效和3.5MeV鐵離子輻射下的輻射缺陷演變和硬化效應。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效硬化率較低，且輻射后奧氏體硬化明顯。根據目前的研究結果，可以得出以下結論：FeNiCrAl 和 FeNiCrAlC 兩種雙相合金在兩相的協同作用下，在 400 ℃ 下具有優異的綜合力學性能，抗拉強度超過 0.9 GPa，伸長率達到 22%。在 400 ℃ 下老化2000 小時后，它們仍能保持很高的拉伸伸長率和稍高的強度。FeNiCrAlC 中鐵素體在時效和輻射后的硬化率是三種合金中最低的，這是因為分散的 B2 相強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時間時效的影響，但其輻射硬化卻很顯著。3.通過 MD 模擬發現，與純鐵相比，B2 NiAl 相的存在抑制了熱尖峰前點缺陷的形成。隨著輻射的進行，Al 不斷擴散到基體中，加速了熱尖峰的形成，促進了缺陷的重組，導致存活缺陷和缺陷簇尺寸降低。而 B2 NiAl 相中的大位錯環的結合能將小于純鐵。在高達 2.0 × 1016 個離子/平方厘米的鐵離子輻射下，B2 NiAl 相顆粒仍保持結晶狀態。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，直至超過輻照范圍。通過 APT 觀察到，基體中大的 B2 相和納米級的鎳、富鋁相顆粒中的鋁含量減少，這可能有助于通過鋁元素的長程質量遷移和再沉淀來修復輻射缺陷。
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