武漢大學Acta Materialia：熱老化和重離子輻射對FeNiCrAl雙相合金的影響

【前言】

2011年福島核事故發生后，更加安全的事故容錯燃料（ATF）體系引發了全世界的關注。具有優異的高溫抗氧化性能與低成本的FeCrAl基合金是目前ATF包殼材料研究的熱點。在FeCrAl基合金中進一步添加了Ni元素形成FeNiCrAl合金，Ni的加入穩定了奧氏體相，促進了共格的B2相析出。FeNiCrAl雙相合金擁有優異的綜合力學性能，極限抗拉強度達1 GPa，且總延伸率超過20%。盡管這種雙相合金顯示出了作為先進ATF包殼材料的潛力，但該合金在輻照環境中的數據很少，特別是老化與輻照協同作用下B2相的詳細演化過程仍是未知的。

【研究成果】

基于此，武漢大學肖湘衡教授、李文慶副教授以及核動力研究院王輝研究員合作，探究了FeNiCrAl雙相合金在熱老化與高能重離子實驗中輻照缺陷與元素偏析，并利用納米壓痕測試評估了合金的硬化水平。研究表明，相比于FeCrAl，FeNiCrAl合金中鐵素體的輻照缺陷尺寸更小，硬化程度更低，且能譜結果表明輻照后Al在B2相中貧化。利用飛行時間-二次離子質譜（Time of Flight-Secondary Ion Mass Spectrometry, TOF-SIMS）觀察到整個輻照層中都存在Al成分起伏的減弱，結合原子探針層析（Atom probe tomography，APT）結果，證明了初始B2相中Al向基體擴散，并在基體中發現納米級富Ni、Al相的析出。而這種元素的擴散重組過程被認為能夠有效減少輻照過程產生的缺陷。這些結果為設計兼具力學性能與抗輻照性能先進ATF包殼材料提供實驗依據與參考。相關研究成果以“Integrated Effect of Aging and Heavy Ion Radiation on FeNiCrAl Duplex Alloy for Accident-tolerant Fuel Cladding”為題發表在知名期刊Acta?Materialia上。

【創新點】

探究了長期熱老化與重離子輻照對FeNiCrAl雙相合金影響，通過TOF-SIMS和APT觀察到了合金中B2相中Al貧化和納米級再沉淀，Al元素的擴散再析出過程增強了輻照缺陷的愈合，為先進ATF包殼材料提供新的啟示。

【圖文概況】

圖1?（a）FeNiCrAl和（b）FeNiCrAlC的EBSD反極性圖；（c）FeNiCrAl和（d）FeNiCrAlC的微觀結構SEM圖；（e）400 ℃下拉伸試驗的工程應力-應變曲線；（f）本工作中雙相合金的拉伸力學性能與FeCrAl和雙相不銹鋼（DPSS）比較

圖2?納米硬度隨深度的變化：（a）FeCrAl，（b）FeNiCrAl中鐵素體，（c）FeNiCrAlC中鐵素體，（d）FeNiCrAl中奧氏體和（e）FeNiCrAlC中奧氏體；（e）鐵素體硬化率；（g-h）不同條件下硬度值；（j）雙相合金中奧氏體的硬化率

圖3?在兩個不同g矢量下輻照的（a-b）FeCrAl和（c-d）FeNiCrAlC的TEM明場圖像；（e）用SRIM模擬的鐵離子輻射dpa和濃度曲線；（f-g）位錯環密度和環的平均尺寸以及<100>環分數的統計

圖4（a-b）FeNiCrAlC中輻照鐵素體的STEM圖像；（c）FeNiCrAlC中鐵素體的EDS?mapping和（d）線掃描分布；（e）距離表面約400 nm的HRTEM圖像的IFFT，表明基體和B2相之間不同的晶體結構

圖5 （a）熱尖峰和結束時的Frenkel對數量，插圖顯示了三個體系中最后階段的缺陷分布快照，Fe、Ni和Al原子分別用紅、綠和藍球標記；（b）Frenkel缺陷對數量與級聯時間的關系；（c）三個體系中級聯結束時缺陷團簇大小；（d）純Fe和NiAl相的間隙位錯環的結合能

圖6. （a）與（c）輻照前后FeNiCrAlC鐵素體二次離子質譜隨時間變化的剖面圖；（b）與（d）輻照前后三維重建的Al元素正面圖；（c）與（f）輻照前后在三個不同深度的表面顏色圖

圖7 （a）未輻照和（b）輻照的FeNiCrAlC鐵氧體中Al元素的質譜強度分布與深度的關系，中位數標記為黑點，菱形框的上下頂點對應于四分位數

圖8 （a）25 at.%的鎳濃度等值面顯示了大的B2相和基體中的納米級沉淀；（b）Proximity直方圖顯示了大的B2相界面上的成分演化

圖9 （a）25 at. %的鎳濃度等值面顯示了基體中大的B2相和納米大小的沉淀；（b）分別在距輻照表面約140 nm和567 nm處的納米析出相的平均成分曲線

【成果啟示】

本文研究的FeNiCrAl雙相合金在400 ℃下具有優良的綜合力學性能，且2000小時熱老化后幾乎不發生延性損失。在長期時效和3.5 MeV Fe離子輻照后，雙相合金中具有密集B2相的鐵素體硬化程度更低。對輻照缺陷的抵抗作用被認為來源于B2相對輻照缺陷形成的抑制，以及過量溶質Al與輻照點缺陷的短程重組。因此，這項工作建議通過調控合金中的共格析出相及其穩定性，提高綜合力學性能的同時，增強合金抗輻照能力。