核反應(yīng)堆用奧氏體不銹鋼輻照損傷的研究進(jìn)展

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(合肥工業(yè)大學(xué)1.機(jī)械工程學(xué)院，2.材料科學(xué)與工程學(xué)院, 合肥 230009)

0 引 言

隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源短缺將成為影響社會(huì)發(fā)展的重要問(wèn)題。石油、燃煤等化石能源帶來(lái)了諸多污染問(wèn)題，同時(shí)也日漸貧乏，世界各國(guó)如法國(guó)、美國(guó)、日本等都在重點(diǎn)發(fā)展新能源，如可再生能源與核能，其中核能作為擴(kuò)大新能源產(chǎn)值的重要方向而備受關(guān)注。我國(guó)正處于經(jīng)濟(jì)發(fā)展騰飛時(shí)期，對(duì)于能源的需求尤為迫切[1-3]。我國(guó)核電發(fā)展技術(shù)路線主要分成三個(gè)階段：2005～2020年集中發(fā)展熱中子反應(yīng)堆(壓水堆PRW)；2020～2050年計(jì)劃發(fā)展與建造快中子增殖堆；2050年以后計(jì)劃發(fā)展受控聚變堆。核電站是一個(gè)龐大且復(fù)雜的系統(tǒng)，核電站系統(tǒng)的安全性和服役壽命備受重視，因此這對(duì)核電站結(jié)構(gòu)材料的性能提出了非常苛刻的要求。奧氏體不銹鋼的強(qiáng)度雖然比馬氏體或鐵素體不銹鋼的低，但其耐腐蝕性、塑韌性和焊接性均較好[4]，因此奧氏體不銹鋼是核反應(yīng)堆中應(yīng)用非常廣泛的結(jié)構(gòu)材料。目前，核主泵泵殼、主管道、堆內(nèi)構(gòu)件等大多采用奧氏體不銹鋼制造。

由于核反應(yīng)堆構(gòu)件要接受大量高能粒子的輻照，構(gòu)件材料的穩(wěn)定性對(duì)反應(yīng)堆的正常運(yùn)行具有重要影響，因此堆內(nèi)構(gòu)件材料在輻照下的組織和性能的演變一直是學(xué)者研究的熱點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)核反應(yīng)堆構(gòu)件材料的損傷進(jìn)行了較多的研究，發(fā)現(xiàn)輻照損傷主要包括輻照誘導(dǎo)顯微結(jié)構(gòu)變化、輻照誘導(dǎo)偏析、輻照誘導(dǎo)析出、輻照誘導(dǎo)應(yīng)力腐蝕斷裂等[5]；但與國(guó)外的研究相比，國(guó)內(nèi)有關(guān)輻照誘導(dǎo)奧氏體不銹鋼損傷的報(bào)道較少。為了給國(guó)內(nèi)相關(guān)研究人員提供參考，作者對(duì)奧氏體不銹鋼輻照損傷的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。

1 輻照誘導(dǎo)顯微結(jié)構(gòu)變化

1.1 點(diǎn)缺陷與位錯(cuò)環(huán)

根據(jù)文獻(xiàn)[6-7]，輻射損傷是高能粒子與材料內(nèi)部原子之間相互作用的結(jié)果，如果高能粒子的轟擊能量高于點(diǎn)陣原子的遷移能，點(diǎn)陣原子則會(huì)脫離點(diǎn)陣位置，形成間隙原子，同時(shí)當(dāng)被轟出的間隙原子能量較高時(shí)會(huì)成為新的轟擊粒子，從而形成大量的點(diǎn)缺陷，例如空位。當(dāng)點(diǎn)缺陷達(dá)到飽和時(shí)，空位聚合形成位錯(cuò)環(huán)。位錯(cuò)的纏結(jié)會(huì)使材料表面出現(xiàn)大量的黑斑與位錯(cuò)網(wǎng)，這些缺陷的存在將直接影響材料的宏觀性能穩(wěn)定性和環(huán)境抵抗力。空位和間隙原子的運(yùn)動(dòng)是導(dǎo)致晶格缺陷如點(diǎn)缺陷、位錯(cuò)環(huán)的主要原因。研究發(fā)現(xiàn)，由輻照形成的弗蘭克間隙位錯(cuò)環(huán)的柏氏矢量b=1/3〈111〉位于{111}晶面上，這是因?yàn)樵谳椪諚l件下形成的空位和間隙原子在{111}密排面上滑移[8]。YANG等[9]將固溶處理后的SUS316L奧氏體不銹鋼分別在電子束與激光下進(jìn)行輻照，發(fā)現(xiàn)在衍射矢量大于0的條件下，當(dāng)偏差參數(shù)從小于0增大到大于0時(shí)，電子束和激光輻照下形成的位錯(cuò)環(huán)尺寸均減小，且均為大角度傾斜。

不同材料在不同輻照劑量、輻照流強(qiáng)、輻照溫度條件下會(huì)產(chǎn)生不同的輻照損傷。奧氏體為面心立方結(jié)構(gòu)，存在密排面，當(dāng)輻照條件達(dá)到臨界條件時(shí)會(huì)產(chǎn)生四面體層錯(cuò)堆垛，即缺陷在三維方向上堆積成四面體形狀。輻照誘導(dǎo)四面體層錯(cuò)堆垛形成的機(jī)制主要包括弗蘭克位錯(cuò)環(huán)分解形成機(jī)制、直接吸收單個(gè)空位的形成機(jī)制以及空位級(jí)聯(lián)損傷形成機(jī)制等[10]。UBERUAGA等[11]研究了空位存在的類型，將空位團(tuán)視為超臨界流體，以剪切模量、泊松比和柏氏矢量作為參數(shù)計(jì)算其穩(wěn)定性，推測(cè)出層錯(cuò)堆垛是空位團(tuán)存在的最穩(wěn)定形態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)，商業(yè)純度鋼比高純鋼存在更少的層錯(cuò)堆垛，推測(cè)這是由于商業(yè)純度鋼中添加的元素抑制了層錯(cuò)堆垛的形成[12]。也有研究發(fā)現(xiàn)：少量雜質(zhì)如氧氣的存在可以促進(jìn)空位團(tuán)的形成，從而促進(jìn)層錯(cuò)堆垛的形成；同時(shí)銅、鎳、金和鈀可以降低2%的層錯(cuò)堆垛能,從而促進(jìn)層錯(cuò)堆垛的形成[13]。

1.2 孔洞與腫脹

孔洞分為空洞與氣泡兩種。空洞是內(nèi)部不含其他原子的孔洞，由空位聚合形成；氣泡是含有氣體原子的孔洞，氣體原子提供的內(nèi)壓能平衡孔洞的表面張力而使其穩(wěn)定存在[14]。

輻照時(shí)孔洞的形核與長(zhǎng)大使得材料的體積增大，發(fā)生腫脹。SHENG等[15]根據(jù)經(jīng)典電子理論探討了合金價(jià)電子結(jié)構(gòu)與輻照腫脹行為的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)輻照腫脹發(fā)生的條件是產(chǎn)生大量的空位-間隙原子對(duì), 破壞原子間的鍵結(jié)合;共價(jià)電子對(duì)越多, 原子間結(jié)合力越強(qiáng)，抗輻照腫脹能力越強(qiáng)。

氦泡是一種由輻照引起的典型的氣泡型孔洞。QIAN等[16]對(duì)奧氏體不銹鋼產(chǎn)生氦泡的形核機(jī)制與遷移行為進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)：在室溫至300 ℃的低溫區(qū)進(jìn)行氦離子輻照時(shí)，氦泡的微結(jié)構(gòu)不隨溫度的升高而變化，在高于400 ℃的高溫區(qū)，氦泡的微結(jié)構(gòu)隨溫度的升高而發(fā)生顯著變化；在300～400 ℃時(shí)，氦的擴(kuò)散方式發(fā)生轉(zhuǎn)變，氦原子從空位中釋放獲得能量并發(fā)生長(zhǎng)程遷移；在輻照溫度低于600 ℃時(shí)，經(jīng)冷變形處理的Fe-17Cr-14Ni奧氏體不銹鋼具有相對(duì)較長(zhǎng)的輻照孕育期，腫脹速率緩慢，這是因?yàn)槔渥冃文軌蛟鰪?qiáng)奧氏體不銹鋼的位錯(cuò)沉積效應(yīng)，阻礙空位的聚集。

研究表明，輻照腫脹存在一段孕育期，孕育期內(nèi)不會(huì)發(fā)生明顯腫脹，之后隨著輻照劑量的增加、溫度的升高和時(shí)間的延長(zhǎng)，材料出現(xiàn)孔洞穩(wěn)定增長(zhǎng)行為[17]。孕育期時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)材料的使用壽命有著重要的影響，因此研究腫脹孕育期內(nèi)缺陷的微觀行為具有重要的意義。目前，主要采用透射電子顯微鏡(TEM)來(lái)觀察孔洞的形貌，但是實(shí)際上單個(gè)點(diǎn)缺陷和小規(guī)模缺陷聚集的大小已超出了TEM的分辨率范圍，因此無(wú)法通過(guò)TEM準(zhǔn)確研究腫脹孕育期點(diǎn)缺陷的微觀行為。材料中正電子湮沒(méi)壽命取決于空位的大小，正電子湮沒(méi)長(zhǎng)壽命和短壽命分別揭示了單個(gè)空位和空位團(tuán)的相對(duì)數(shù)量。 YOSHIIE等[18]通過(guò)測(cè)試正電子湮沒(méi)壽命對(duì)鈦強(qiáng)化316奧氏體不銹鋼的孔洞長(zhǎng)大行為進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在輻照溫度低于423 K時(shí)，隨著溫度的升高，正電子湮沒(méi)長(zhǎng)壽命強(qiáng)度增大，說(shuō)明不銹鋼中產(chǎn)生了大量單個(gè)空位和微孔，微孔可能是由單個(gè)空位間的級(jí)聯(lián)形成的；在輻照溫度高于473 K時(shí)，正電子湮沒(méi)平均壽命縮短，微孔開(kāi)始聚集長(zhǎng)大，這說(shuō)明高溫輻照會(huì)加快微孔的聚集，使材料表面形成較大的孔洞。YOSHIIE等[19]還通過(guò)測(cè)試正電子湮沒(méi)壽命研究了合金元素對(duì)奧氏體不銹鋼抗輻照腫脹性能的影響，發(fā)現(xiàn)在輻照過(guò)程中，奧氏體不銹鋼中的微量元素誘導(dǎo)了四面體層錯(cuò)堆垛的形成，從而有效阻礙了孔洞的長(zhǎng)大，提高了奧氏體不銹鋼的抗輻照腫脹性能。

提高奧氏體不銹鋼的抗輻射腫脹性能是改善其抗輻照性能的重要方面，而氧化物強(qiáng)化是改善奧氏體不銹鋼抗輻照性能的方法之一。氧化物彌散強(qiáng)化(ODS)奧氏體不銹鋼具有較高的高溫強(qiáng)度、良好的抗蠕變斷裂和抗輻照性能，是常用的聚變反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)材料[20-21]。OKA等[22]采用機(jī)械合金化方法在離子碳氮共滲(PNC)316奧氏體不銹鋼中添加了Y2O3，對(duì)在823 K輻照溫度和15 dpa輻照劑量下PNC316不銹鋼與ODS316不銹鋼的孔洞形貌進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)輻照后ODS316不銹鋼中的孔洞尺寸比PNC316不銹鋼中的小，孔洞密度較高；ODS316不銹鋼表現(xiàn)出良好的抗輻照腫脹性能，這說(shuō)明分散的氧化物顆?？捎行У匾种瓶锥吹拈L(zhǎng)大。這是因?yàn)槿毕菀自谘趸锪Ｗ优c基體的界面處聚集，當(dāng)粒子尺寸大于空位在輻照下的擴(kuò)散自由程時(shí)，就可有效抑制空位的聚集。

2 輻照誘導(dǎo)偏析與析出

2.1 輻照誘導(dǎo)偏析(RIS)

在輻照條件下，區(qū)域內(nèi)存在的濃度梯度使溶質(zhì)原子或者雜質(zhì)再分配，造成合金元素在奧氏體不銹鋼的自由表面、位錯(cuò)、空位、晶界或相界處出現(xiàn)富集或貧乏[23-26]，例如鉻元素的局部貧乏和鎳、硅、磷等元素的晶界富集。鉻元素的貧乏會(huì)加速輻照誘導(dǎo)應(yīng)力腐蝕斷裂，嚴(yán)重影響奧氏體不銹鋼的服役性能[27]。

RIS的形成機(jī)制主要有兩種,一種是最早提出的柯肯達(dá)爾機(jī)制，即RIS的形成是溶質(zhì)原子與空位遷移相互作用的結(jié)果。輻照提供的能量如果使溶質(zhì)原子快速擴(kuò)散，則溶質(zhì)原子將優(yōu)先與空位發(fā)生置換，并且在整個(gè)晶內(nèi)擴(kuò)散；而如果溶質(zhì)原子的擴(kuò)散速率較慢，則溶質(zhì)原子會(huì)沉積在缺陷阱處，如晶界、位錯(cuò)、位錯(cuò)環(huán)與空洞等[28-29]。另一種機(jī)制是間隙原子間的相互作用，小尺寸的溶質(zhì)原子遷移時(shí)優(yōu)先與晶體內(nèi)的間隙原子發(fā)生作用[30-31]，但是目前這種機(jī)制的適用性較小。

在柯肯達(dá)爾機(jī)制中，晶界是主要的缺陷阱，而RIS實(shí)質(zhì)上是由缺陷運(yùn)動(dòng)造成的。不同晶界對(duì)缺陷運(yùn)動(dòng)有不同的敏感度，因此不同晶界上溶質(zhì)原子和雜質(zhì)的偏析程度也不同。低能量晶界具有較緊密的原子結(jié)構(gòu)，對(duì)晶界偏析的敏感度較小[32]。RIS程度隨著晶界傾斜角的增大而增大，但小角度晶界和一些特殊晶界如Σ3和Σ9晶界會(huì)抑制RIS，但是當(dāng)材料中出現(xiàn)大量特殊晶界時(shí)，晶界偏析的分布也會(huì)發(fā)生變化[33-34]。輻照偏析大部分發(fā)生在孿晶界上，這是因?yàn)槔渥冃魏蟮膶\晶界在晶體內(nèi)的占比很高，孿晶界的大量存在減小了晶粒的有效尺寸，阻礙了點(diǎn)缺陷向晶界處的遷移，增大了點(diǎn)缺陷遷移到孿晶界的概率[35]。電化學(xué)動(dòng)電位再活化(EPR)法對(duì)貧鉻區(qū)微量鉻的存在十分敏感，可有效表征其RIS程度[36]，EPR值越低，說(shuō)明該區(qū)域?qū)IS的抑制性越好。304不銹鋼經(jīng)0.86 dpa與1.00 dpa劑量的質(zhì)子輻照后，其最大損傷深度分別為9，50 μm，0.86 dpa劑量下EPR平均值與最大值都比1.00 dpa劑量下的高，這是由于高輻照劑量下不銹鋼具有較高的溫度，點(diǎn)缺陷易聚集形成空位團(tuán)，導(dǎo)致?lián)p傷深度較大[37];同時(shí)，由于高輻照劑量下點(diǎn)缺陷是可自由移動(dòng)的[38]，導(dǎo)致不銹鋼EPR值較低，因此RIS程度降低。

2.2 輻照誘導(dǎo)析出(RIP)

輻照會(huì)促進(jìn)原子擴(kuò)散以及熱析出，奧氏體不銹鋼在輻照環(huán)境下會(huì)有新相沉淀析出，如碳化物和硅化物[39]。RIP會(huì)引起材料的脆化與硬化[40]，影響材料的局部相穩(wěn)定[31]，從而加快輻照誘導(dǎo)應(yīng)力腐蝕斷裂[41]。目前，研究發(fā)現(xiàn)很多由輻照誘導(dǎo)析出的新相，例如奧氏體不銹鋼中析出的γ′相(Ni3Si)和G相(M6Ni16Si7)[42]，鐵素體-馬氏體不銹鋼中析出的M6C、α相、χ相、 Cr2X、σ相、Cr3P、MP 和M23C6(主要為Cr23C6,M=Cr,Fe)等[43]。JIN等[44]在經(jīng)550 ℃離子輻照后的奧氏體不銹鋼中發(fā)現(xiàn)了Cr23C6析出相。

3 輻照誘導(dǎo)應(yīng)力腐蝕斷裂(IASCC)

奧氏體不銹鋼在輻照環(huán)境中產(chǎn)生的IASCC會(huì)提高其裂紋敏感度；裂紋一旦產(chǎn)生，其擴(kuò)展速率由最初的低于10-9m·s-1迅速增大，直至材料完全斷裂。這也是導(dǎo)致材料服役性能降低的重要因素。IASCC主要與輻照后材料顯微結(jié)構(gòu)的改變以及RIS與RIP引起的微觀組成的改變有關(guān)[45-47]，這些改變均會(huì)引起材料力學(xué)性能(輻照硬化、脆化、蠕變)、形變機(jī)制的改變。影響IASCC的因素有很多，主要包括中子注量、冷加工、材料成分、腐蝕電位、溫度、載荷等[48]。一些敏感性材料在輻照、應(yīng)力、腐蝕環(huán)境的共同作用下易發(fā)生IASCC。STEPHENSON 等[49]在304L不銹鋼中加入硅，使晶界處硅的含量增加后，發(fā)現(xiàn)該不銹鋼的晶界腐蝕斷裂敏感性提高，這間接驗(yàn)證了硅元素的偏析會(huì)促進(jìn)應(yīng)力腐蝕斷裂。BRUEMMER等[50]通過(guò)慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)研究了600鎳基合金IASCC敏感性，發(fā)現(xiàn)當(dāng)晶界處鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)由9%降低到5%時(shí)，斷口沿晶腐蝕斷裂占比相應(yīng)地由0 增加到100%，由此推斷晶界貧鉻增加了IASCC 敏感性。微量合金元素和雜質(zhì)元素的偏析也會(huì)影響IASCC敏感性，但目前有關(guān)晶界處硫、磷和硼等元素的偏析對(duì)IASCC敏感性的影響還沒(méi)有明確結(jié)論，需要進(jìn)一步研究。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前，對(duì)奧氏體不銹鋼輻照后損傷行為的研究主要集中在采用透射電鏡、掃描電鏡、力學(xué)性能測(cè)試以及一些化學(xué)電位測(cè)試等方法對(duì)短時(shí)間內(nèi)經(jīng)過(guò)中子、質(zhì)子、離子輻照后的奧氏體不銹鋼的顯微結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行表征，從而較全面地顯示輻照過(guò)程中奧氏體不銹鋼顯微結(jié)構(gòu)與性能等方面的變化。盡管目前有關(guān)奧氏體不銹鋼輻照損傷行為的研究取得了較大進(jìn)展，但是仍需探索更好的檢測(cè)方法來(lái)進(jìn)一步研究不同種類奧氏體不銹鋼的抗輻照性能及其輻照損傷行為，從而為堆內(nèi)結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展提供更好的試驗(yàn)依據(jù)，為延長(zhǎng)核反應(yīng)堆內(nèi)材料及其部件服役壽命和保障核電站安全高效運(yùn)行提供可靠技術(shù)基礎(chǔ)。