文章信息

原文标题：Hafnium-enabled radiation tolerance in additively manufactured 316L stainless steel

标题翻译：铪赋予增材制造316L不锈钢的辐照耐受性

通讯作者单位：上海交通大学，机械与动力工程学院，核燃料循环与材料研究所

文章导读

本文系统研究了通过激光定向能量沉积增材制造的Hf微合金化316L不锈钢在氦离子辐照条件下的微观结构演变和辐照耐受性。研究采用功能梯度材料设计，Hf浓度从0 wt.%到1.0 wt.%连续变化，并对增材态和再结晶态样品进行了对比分析。400 keV He⁺离子在450°C下辐照至约4.5 dpa，峰值He浓度约10 at.%。结果表明，Hf添加显著细化了晶粒结构（从~80 μm降至~8 μm），引入了高热稳定性的富Hf析出相（HfC/HfN），抑制了位错胞状结构和δ-铁素体的形成，同时位错网络得以保留。辐照后，AB316L-1Hf样品表现出最优异的辐照耐受性，峰值肿胀仅约1%，而RC316L-0Hf的肿胀高达约3.75%。多尺度微观表征揭示了这种增强抗性的协同机制：原子尺度上，过大的固溶Hf原子通过晶格应变场捕获空位，促进点缺陷复合；介观尺度上，富Hf析出相的非共格界面和高密度位错网络作为空位和He原子的有效陷阱，形成了明显的He气泡无沉淀区。晶界虽然密度随Hf添加增加（从0.016 μm⁻¹增至0.125 μm⁻¹），但微米级晶粒尺寸远高于50-100 nm的超细晶阈值，其作为缺陷陷阱的效率有限。δ-铁素体在AB316L-0Hf中提供了一定辐照抗性（BCC结构固有优势），但在高Hf样品中体积分数降至0.3%而贡献次要。

图文解读

原文共有图13，本文图片选自原文中图2、3、9、10、11、12。

图2展示了AB316L和RC316L系列中不同Hf浓度（0 wt.%、0.5 wt.%、1.0 wt.%）的BSE显微组织。AB316L系列（图2a-c）呈现增材制造典型的柱状晶组织，0Hf样品晶粒粗大，添加Hf后晶粒显著细化。RC316L系列（图2d-f）为等轴晶组织，0Hf平均晶粒尺寸~12 μm，Hf添加后细化至~2.5 μm。图

图3展示了AB316L和RC316L系列中不同Hf浓度下的位错网络结构和富Hf析出相。图3a-c显示AB316L-0Hf存在高密度位错胞结构，而Hf掺杂样品中位错胞消失。图3d-f显示RC316L-0Hf经退火后位错密度降低，但RC316L-0.5Hf和RC316L-1Hf位错密度保持较高水平。图3g-h确认了富Hf析出相（HfC/HfN）的均匀分布和EDS成分。图

图9展示了RC316L-1Hf样品中He气泡沿位错线的分布形态（深度200-450 nm）。图9(a)为欠焦TEM图像，图9(b)为过焦TEM图像，白色箭头指示位错线上密集分布的纳米级He气泡，表明位错作为He气泡异质形核位点和有效陷阱。

图10展示了RC316L-1Hf样品中随机大角度晶界（47.2°）处He气泡随深度的分布。图10(a)为TKD-IPF图，图10(b)为TKD相图，图10(c)显示不同深度下晶界上He气泡的形貌，表明随着He浓度从0.063 at.%升至1.55 at.%，晶界气泡尺寸从1.1 nm粗化至6.2 nm，晶界发生陷阱饱和。

图11展示了AB316L-1Hf样品中δ-铁素体和奥氏体的TKD表征及He气泡分布对比。图11(a)为IPF图，图11(b)为相图，图11(c)显示奥氏体中存在较大He气泡（6.3±1.4 nm），图11(d)显示δ-铁素体中气泡尺寸小一半但数密度高2-3倍，表明BCC结构的δ-铁素体具有更优的抗肿胀能力。

图12展示了AB316L-1Hf样品中不同损伤区富Hf析出相内部及周围的He气泡分布。图12(a-b)为远离峰值损伤区的析出相，图12(c-d)为峰值损伤区的析出相。在析出相界面附近观察到明显的“无沉淀区”，气泡密度显著低于基体，证实了非共格界面作为点缺陷有效陷阱的作用。

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文章总结

本文得出以下主要结论：Hf微合金化激光定向能量沉积316L不锈钢通过多尺度协同缺陷陷阱机制显著提升了抗氦离子辐照性能。Hf添加（1.0 wt.%）使晶粒尺寸从~80 μm细化至~8 μm，引入高热稳定性富Hf析出相（HfC/HfN），消除位错胞结构并保留高位错密度位错网络，同时将δ-铁素体体积分数从2.7%降至0.3%。辐照后，AB316L-1Hf样品的峰值肿胀仅约1%，而RC316L-0Hf高达3.75%。原子尺度上，过大的固溶Hf原子（0.14 at.%）通过晶格应变场捕获空位促进复合；介观尺度上，富Hf析出相的非共格界面（错配度~29%）和高密度位错网络作为点缺陷有效陷阱，形成气泡无沉淀区。虽然晶界密度随Hf添加增加（从0.016增至0.125 μm⁻¹），但微米级晶粒尺寸（~8 μm）远高于超细晶阈值（50-100 nm），其作为缺陷陷阱的效率有限。δ-铁素体在未掺杂样品中提供一定抗性，但在高Hf样品中贡献次要。该研究证明了增材制造固有缺陷结构与微合金化的协同策略是设计高性能核结构材料的有效途径。