燕山大學Nature Communications: 超高強度、熱穩定、抗輻照納米晶鋼

【前言】

不銹鋼在汽車、建筑、核能等領域大量使用。2017年，全球不銹鋼及耐熱鋼總產量高達4808萬噸。然而，不銹鋼的強度偏低，通常為數百MPa。制備高強不銹鋼可節約大量能源、資源，進一步可降低環境污染，具有重大的經濟和社會效益。與普通的粗晶粒金屬相比，納米晶金屬更強、更抗輻照。然而，納米晶金屬的熱穩定性通常較差，致使其高溫加工成型及應用受到很大的限制。為了解決上述問題，燕山大學的沈同德教授團隊與北京大學王宇鋼教授團隊、南京理工大學沙鋼教授團隊、美國普渡大學張星航教授團隊、美國西北太平洋國家實驗室胡深洋研究員合作， 通過綜合運用稀土鑭元素的摻雜以及高溫高壓合成技術，開發出納米晶/納米析出304L奧氏體鋼。該納米晶奧氏體鋼屈服強度高達2500 MPa, 遠超粗晶304L奧氏體鋼約數百MPa的屈服強度。該納米鋼具有極高的熱穩定性，800^?oC /180小時保溫，無顯著晶粒長大。600^?oC /108 dpa強輻照既無顯著晶粒長大，亦無任何腫脹。該納米鋼的超高熱穩定性可歸因于鑭元素在晶界上的偏聚、高密度富鑭納米氧化物的析出，分別在熱力學、動力學方面穩定化細小的納米晶粒。團簇動力學模擬表明，納米鋼中大量的晶界作為缺陷捕獲陷阱，可大幅度降低穩態空位濃度，進而抑制輻照腫脹的發生。相關研究論文發表在國際知名學術期刊Nature Communications上(影響因子12.353)。

【圖文導讀】

圖1

?

（a）納米晶鋼的壓縮、拉伸力學行為， (b) 納米晶鋼(NC-SS)與其它鋼種的屈服強度對比, (c-e) 納米鋼退火前后的晶粒尺寸, (f,g) 粗晶鋼、納米鋼輻照后的微結構。

圖1給出了納米鋼的力學性能、熱穩定性、輻照性能。圖1(a)表明304L納米晶鋼在拉伸和壓縮變形時，屈服強度均高達2500 MPa。圖1(b)表明，304L納米晶鋼(NC-SS)屈服強度遠超普通粗晶奧氏體鋼(CG-SS)的屈服強度，且高于納米結構合金(NFAs)、納米析出馬氏體鋼(MS-NPs)、高位錯密度錳鋼(MS-HDDs)的屈服強度。圖1(c,d)電鏡照片(標尺200 nm)表明，制備態的納米晶鋼平均晶粒尺寸約45?nm。經1000 °C 退火1小時后，晶粒尺寸僅輕微長大到約60?nm。圖1(f,g)電鏡照片(標尺50 nm)表明，經600 °C下108 dpa劑量的金離子輻照后，粗晶奧氏體鋼高度腫脹，而納米晶奧氏體鋼既無腫脹，亦無顯著晶粒長大。

圖2

(a) 元素分布圖, ?(b) 原子探針、電子顯微鏡偶聯技術表征, ?(c) 不同尺度納米析出相的化學成分。

圖2給出了納米晶鋼的原子探針、電子顯微鏡偶聯技術表征。納米晶鋼中La、Si、O元素分布不均(圖2a)。 La、Si、O元素偏聚在納米晶鋼晶粒邊界(圖2b)。圖2c表明，在納米晶鋼晶粒邊界上有大量的、較大的納米析出相，在納米晶鋼晶粒內部有少量的、較小的納米析出相以及納米團簇。納米析出及納米團簇均富含La、Si、O元素。納米析出平均尺度約為5 nm，數量密度高達5 ′?10²³?m^-3.

圖3

納米晶鋼晶粒尺寸分別為30 nm (a)、45 nm (b)、75 nm (c)時的穩態空位濃度分布，標尺50 nm。(d) 為晶粒尺寸對空位和間隙濃度變化的影響，(e)為納米析出與基體之間的共格程度對空位和間隙濃度變化的影響。模擬溫度500 °C，輻照劑量3.0 × 10^?4?dpa s^?1。

圖3為利用團簇動力學模擬納米晶鋼中晶粒尺寸和納米析出對輻照產生的空位及間隙濃度的影響。結果表明，(i) 晶粒尺寸越小，缺陷濃度越快達到穩態； (ii) 由于間隙比空位運動更快，因而更易被晶界及納米析出/基體相界面捕獲，平均間隙濃度遠低于平均空位濃度; (iii) 晶粒尺寸越小，平均空位及間隙濃度越低。此外，圖3a–c 還表明，空位濃度呈不均勻分布，靠近晶界處的空位濃度遠低于晶粒中心處的空位濃度。靠近晶界處具有較低空位濃度的區域寬度約為6–7 nm, 且該區域寬度與晶粒尺寸無關。最高的穩態空位濃度為3.5 × 10^?4, 無包含20個以上缺陷的空位和間隙團簇出現，含2個缺陷的空位和間隙團簇的濃度約為10²⁴ m^?3, 含6個缺陷的空位和間隙團簇的濃度約為10¹² m^?3, 如此低的空位及空位團簇濃度表明空洞形核難以發生。圖 3e 表明，晶粒尺寸為30 nm的納米晶鋼中，隨納米析出與基體之間共格程度的下降，平均空位濃度下降。

【材料制備過程】

使用304-L不銹鋼粉末及元素鑭粉末作為原料，原料配比為99 at%不銹鋼: 1 at% 鑭。粉末在手套箱中首先機械合金化24小時，然后使用六面頂壓機，在1000 °C、4 GPa壓力下保溫30分鐘壓制成型，獲得直徑約8-9 mm、高度10-12 mm的塊體納米晶鋼圓柱體樣品。

研究工作得到了國家自然科學基金（11575114, 51571120）、國家磁約束聚變能研究項目（2015GB113000）、燕山大學高層次人才項目(005000201)的資助。

文獻鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-018-07712-x

Congcong Du, Shenbao Jin, Yuan Fang, Jin Li, Shenyang Hu, Tingting Yang, Ying Zhang, Jianyu Huang, Gang Sha, Yugang Wang, Zhongxia Shang, Xinghang Zhang, Baoru Sun, Shengwei Xin & Tongde Shen, Ultrastrong nanocrystalline steel with exceptional thermal stability and radiation tolerance, Nature Communications?9:?5389?(2018)

本文由材料人燕山大學沈同德教授團隊供稿，編輯部編輯。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱: tougao@cailiaoren.com.

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaorenVIP.