北大和北科大强强联手，在Nature大子刊发表核材料领域重量级成果

2022-06-06 13:25:22 作者：材料人来源：材料人分享至：

【导读】

在核反应堆服役的材料要经受非常严苛的环境，这不可避免的会导致材料结构完整性和力学性能的退化，例如宏观孔洞膨胀、辐照硬化和脆化。设计出在这种严苛条件下能够安全服役的材料对于延长反应堆寿命，促进核聚变和先进核裂变反应堆的发展非常重要，但却一直充满挑战。能够在高温下维持高辐照剂量的材料是下一代裂变和未来聚变能所必需的。迄今为止，即使是最有前途的结构材料也不能承受辐照环境要求，因为辐照将驱动不可逆的微观结构退化。

辐照引起的材料退化通常是由于过多的间隙和空位的产生和随后的聚集造成的。其中，辐照膨胀是高温高剂量辐照下材料的主要辐照效应之一，通常涉及空位的形成和逐渐聚集。抗孔洞膨胀能力的增强通常归因于高比例的失配界面，其可以捕获辐照引起的间隙和空位。本文提出的策略依赖于不匹配的界面来捕获缺陷，而是利用完全共格的金属间化合物纳米析出相（NPs）的快速析出动力学来增强辐照耐受性，NPs的循环无序-有序过程有效地湮灭了缺陷，大大提高了耐辐照性。

【成果掠影】

近日，北京大学付恩刚教授团队，北京科技大学吕昭平教授团队强强合作，报道了一种与常理相反的策略，利用纳米低错配共格沉淀马氏体时效钢，发明了一种新的耐辐照机制，大幅度提高了合金的抗辐照能力。本工作首先在马氏体时效钢中引入的超晶格纳米沉淀物，这种结构的殊胜之处是在纳米沉淀物附近可诱导结构可逆的局部无序-有序转变。研究表明：在含有高密度B2有序超晶格的马氏体钢中，即使在400-600°C的超高剂量辐照损伤后，也没有检测到空洞膨胀。在高度饱和的基体中，低错配超晶格的重新有序过程发生在快速的无序化之后。这样，通过辐照诱发的点缺陷和过剩溶质的会发生短程重新有序。这一动态过程稳定了微观结构，不断促进原位缺陷复合，并有效地阻止了长程扩散过程。从而大幅度提高了材料的耐辐照性能。该策略可应用于其他材料，为开发高耐辐照材料铺平了道路。相关成果以“Superior radiation tolerance via reversible disordering–ordering transition of coherent superlattices”为题发表在材料学顶级期刊《Nature Materials》上。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-022-01260-y.pdf

【核心创新点】

（1）发明了一种大幅度提高抗辐照性能的新机制—可逆无序化-有序化转变；

（2）提供了这一种合成耐辐照材料的新途径。

【数据浏览】

图1 含高密度Ni（Al,Fe） NPs的超晶格钢具有优良的辐照耐受性。b和c的比较表明，超晶格钢的抗空隙膨胀性能比9Cr ODS钢强得多；a. 与传统奥氏体钢、铁素体马氏体钢和ODS钢相比，超晶格钢中的空隙膨胀现象更为明显，插图（虚线矩形框的放大视图）显示，与几种典型的ODS钢相比，超晶格钢呈现零空洞膨胀；b. 500℃时，超晶格钢在2350 dpa后条件下辐照损伤后的TEM显微图，未见空洞产生；c. 500℃时，9Cr ODS钢在840 dpa后条件下辐照损伤后的TEM显微图，观察到大量空洞。

图2 离子辐照下超晶格钢的组织演变；a,b，超晶格钢在500℃0 dpa （a）和840 dpa （b）下的HAADF-STEM图像；c,d，高分辨率HAADF-STEM图像显示了NPs和富溶质区域之间的原子结构差异；e, APT表征的NPs在离子辐照过程中的演化，主要通过50at%Al和Ni等浓度表面显示和强调；f,g，距离直方图显示了所选沉淀（f）和溶质富集区域（g）的成分轮廓，其中误差条是均值的标准偏差；h, HAADF-STEM图像显示了500°C/840 dpa辐照后位错环的存在；i，高分辨率HAADF-STEM图像，显示位错环附近存在NPs，以及相应的FFT结果（右蓝红框）；j, HAADF图像显示一个“愈合”的a/2<100>位错环远离析出物；k,l，对应Ni （k）和Al （l）的EDS面扫。

图3 超晶格钢中NPs的辐照诱导溶解机理；a-c，来自APT数据集的亚体积（7 nm × 7 nm × 1 nm），显示了室温下离子辐照前后NPs的成分演变。d,e，近距离直方图显示了离子辐照前后NPs中Ni （d）和Al （e）的成分分布。误差条是均值的标准偏差。

图4 时效过程中NPs的快速形成动力学；a，同步XRD结果显示，在500°C时效过程中，随着时间的推移形成了NPs。b, x射线衍射谱放大图显示在500°C时效过程中B2的峰变宽；c，对应的峰强比表明NPs的析出速度非常快。其中It 100、If 100、It 200和If 200分别表示t时刻（100）和末态（200）的峰值强度。d、对该钢在500℃时效3 h（即超晶格钢的平衡态处理）、500℃时效10 min和500℃840 dpa辐照三种不同条件下的APT分析得到的B2相组成。e，在500℃下时效10分钟的钢溶质的APT表征，显示以卡其色标记的选定NPs的成分分布图的邻近直方图（右）。误差条是均值的标准偏差。

图5 超晶格钢中NPs的无序和重新有序过程随时间的函数示意图。 a-d、Fe、Ni和Al原子分别用灰色、绿色和红色的球标记

图6 当前策略在fcc Fe35.8Ni37.6Cr22.9Ti1.7Al2 （wt.%） MEA中的应用；a, TEM图像显示了所设计的fcc合金的NPs。插图为相应的SAED，显示了NPs的有序结构；b - d，沿{110}区拍摄的TEM图像显示了设计的fcc合金在400°C （b）、500°C （C）和600°C （d）的100 dpa辐照后的NPs。e，高分辨率的STEM图像，显示了设计的fcc合金在600℃下经过100 dpa辐照后的NP组织，其中一个典型的NP用红圈表示；f，重建三维APT数据集，并分析在600℃下经历不同剂量辐照损伤的NPs的成分。NPs的重点是包含超过80%的Ni、Al和Ti的区域；g，对应的接近直方图显示了通过卡其色指示的选定NPs的组成概况。

【成果启迪】

本文提出的有序-无序化机制是提高核材料抗辐照性能的新机制，具有非常重要的科学意义和工程价值。为抗辐照材料的微观结构设计提供了一条新思路。

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