武大《Acta Materialia》：热老化和重离子辐射对FeNiCrAl双相合金的影响
2023-12-07 11:52:41
作者：材料基 来源：材料基
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福岛核事故发生后，安全性更高的事故耐受燃料（ATF）包层引起了全世界的广泛关注。作为 ATF 包层最具竞争力的候选材料之一，FeCrAl 合金具有低成本和出色的高温抗氧化性。铬是铁铬铝合金的主要强化元素。然而，由于富含铬的α′相从富含铁的α基体中析出（即旋光分解），导致不良的硬化和脆性，因此含铬量高（>13 wt.%）的铁铬铝合金在中温环境（300∼450 ℃）下长期用于结构部件的应用受到限制。虽然已引入 Nb、Mo 或纳米氧化物等其他合金元素来强化合金，但仍难以满足对高强度薄覆层材料的苛刻要求。氧化铝形成的双相铁镍铬铝合金具有优异的机械性能和高温抗氧化性，一直被视为一种事故耐受燃料包壳材料。来自武汉大学的学者研究了长达 2000 小时的热时效和 3.5 MeV Fe13+ 离子辐射对 FeNiCrAl 双相合金的时效和抗辐射性能的影响。与传统的铁铬铝合金相比，含有 B2相的铁素体相显示出更少的辐射缺陷和更低的辐射硬化率。实验和分子动力学模拟证明，相干的 B2 相沉淀对于阻碍位错和抑制辐射诱导缺陷的形成至关重要。此外，还利用飞行时间二次离子质谱法和原子探针断层扫描法对 B2 相的铝耗尽和纳米级析出进行了表征。这些发现有效地揭示了铁镍铬铝双相合金在长期老化和辐射后的微观结构演变，为设计先进的事故耐受燃料材料提供了新的启示。相关文章以“Integrated effect of aging and heavy ion radiation on FeNiCrAl duplex alloy for accident-tolerant fuel cladding”标题发表在Acta Materialia。https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119026图 1.(a) FeNiCrAl 和 (b) FeNiCrAlC 中的EBSD 反极性图；(c) FeNiCrAl 和 (d) FeNiCrAlC 中微观结构的 SEM 图像；(e) 400 ℃ 拉伸试验的工程应力-应变曲线；(f) 本研究中双相合金的拉伸机械性能与之前的 FeCrAl 和双相不锈钢 (DPSS) 的比较图 2.纳米硬度随深度的变化：(a) FeCrAl、(b) FeNiCrAl 中的铁素体、(c) FeNiCrAlC 中的铁素体、(d) FeNiCrAl 中的奥氏体和 (e) FeNiCrAlC 中的奥氏体；(e) 铁素体的硬化率；(g-h) 不同条件下双相合金的硬度；(j) 双相合金中奥氏体的硬化率。图 3.在两个不同矢量下辐照 (a-b) FeCrAl 和 (c-d) FeNiCrAlC 的 TEM 明场图像；(e) SRIM 模拟的铁离子辐射 dpa 和浓度曲线；(f-g) 位错环密度、环平均尺寸和 <100> 环比例的统计结果图 4.(a-b) 铁镍铬铝中辐照铁素体的 STEM 图像；(c) 铁镍铬铝中铁素体的 EDS 图谱和 (d) 线扫描剖面图；(e)距表面约 400 毫米处高分辨率 TEM 图像的 IFFT，显示基体和沉淀之间不同的晶体结构。图 5.（a）热峰值和末期的 Frenkel 对数量，插图显示了三个体系最后阶段的缺陷分布快照，Fe、Ni 和 Al 原子分别用红球、绿球和蓝球标出；（b）Frenkel 缺陷对数量随级联时间的变化；（c）三个体系级联末期的簇数量和大小；（d）纯 Fe 和 NiAl 间位错环的结合能。图 6.（a）第二离子质谱随时间变化的剖面图和（b）FeNiCrAlC 中未辐照铁素体的铝元素三维重建正视图；（c）三个不同深度的未辐照样品的表面颜色图；（d）第二离子质谱随时间变化的剖面图和（e）FeNiCrAlC 中已辐照铁素体的铝元素三维重建正视图；（f）三个不同深度的已辐照样品的表面颜色图。图 7.在 (a) 未经过辐照和 (b) 经过辐照的 FeNiCrAlC 铁素体中，Al 元素的质谱强度分布与深度的函数关系，中位数标记为黑点，菱形框的上顶点和下顶点对应于四分位数。图 8：（a）25%镍浓度等值面显示了基体中的大型B2 相和纳米级沉淀；（b）近似直方图显示了大型 B2 相界面上的成分剖面图 9：（a）镍浓度为 25%的等值面显示了基体中的大型 B2 相和纳米级沉淀；（b-c）分别位于距辐照表面约 140 纳米和 567 纳米处的纳米级沉淀界面上的平均成分剖面图。综上所述，本研究关注了FeNiCrAl和FeNiCrAlC双相合金在长期时效和3.5MeV铁离子辐射下的辐射缺陷演变和硬化效应。与单相 FeCrAl 相比，含有密集纳米相干 B2 沉淀的双相合金中铁素体的辐射和时效硬化率较低，且辐射后奥氏体硬化明显。根据目前的研究结果，可以得出以下结论：FeNiCrAl 和 FeNiCrAlC 两种双相合金在两相的协同作用下，在 400 ℃ 下具有优异的综合力学性能，抗拉强度超过 0.9 GPa，伸长率达到 22%。在 400 ℃ 下老化2000 小时后，它们仍能保持很高的拉伸伸长率和稍高的强度。FeNiCrAlC 中铁素体在时效和辐射后的硬化率是三种合金中最低的，这是因为分散的 B2 相强烈抑制了尖晶分解和辐射缺陷的形成。双相合金中的奥氏体几乎不受长时间时效的影响，但其辐射硬化却很显著。3.通过 MD 模拟发现，与纯铁相比，B2 NiAl 相的存在抑制了热尖峰前点缺陷的形成。随着辐射的进行，Al 不断扩散到基体中，加速了热尖峰的形成，促进了缺陷的重组，导致存活缺陷和缺陷簇尺寸降低。而 B2 NiAl 相中的大位错环的结合能将小于纯铁。在高达 2.0 × 1016 个离子/平方厘米的铁离子辐射下，B2 NiAl 相颗粒仍保持结晶状态。B2相中的铝元素在辐照层中广泛存在，但随着植入铁离子浓度和深度的增加，铝元素在B2相中重新富集，直至超过辐照范围。通过 APT 观察到，基体中大的 B2 相和纳米级的镍、富铝相颗粒中的铝含量减少，这可能有助于通过铝元素的长程质量迁移和再沉淀来修复辐射缺陷。
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