辐照过程中He对ODS合金中氧化物的影响.pdf

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第44卷2016年4月第4期—第8993页材料工程JournalofMaterialsEngineeringVo1.44No.4—Apr.2016PP.8993辐照过程中He对ODS合金中氧化物的影响EffectofHeliumonOxidesinODSAlloyDuringIonIrradiation贺建超,高进,邓东。,万发荣(1北京航空制造工程研究所,北京100024;2北京科技大学材料科学与工程学院,北京100083;3环境保护部核与辐射安全中心,北京100082)——HEJianchao,GAOJin,DENGDong。,WANFarong。(1BeijingAeronauticalManufacturingTechnologyResearchInstitute,Beijing100024,China;2SchoolofMaterialsScienceandEngineering,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China;3NuclearandRadiationSafetyCenter,MinistryofEnvironmentalProtection,Beijing100082,China)摘要:研究辐照下He在氧化物弥散强化材料中小于5nm的氧化物颗粒的稳定性。在有He环境下,对14YWT氧化物弥散强化材料进行高温离子辐照。采用三维原子探针(APT)对辐照前后样品中的氧化物颗粒的大小、密度、成分以及其空间分布进行分析。结果表明:小于5nm的弥散氧化物颗粒主要是由Y和Ti的氧化物组成,在辐照前后其成分、尺寸和空间分布无明显变化,说明在600 ̄C高温重离子辐照过程中,在有He环境下铁索体ODS材料中弥散氧化物颗粒仍具有良好的稳定性。关键词:氧化物弥散强化材料;辐照;纳米氧化物颗粒;稳定性—doi:10.11868/j.issn.10014381.2016.04.015中图分类号:TL67文献标识码:A——文章编号:1001-4381(2016)04008905——Abstract:Thestabilityofnanoscaleoxideswiththesizelessthan5nmintheheliumatmosphereun—derirradiationintheODS(oxidedispersionstrengthened)materialswasresearched.The14YWTal—loywithpreimplantedwithheliumwasirradiatedathightemperature.Size,density,andcomposition—ofthenanoscaleoxideswereinvestigatedbytheatomprobetomography.Theresultsshowthat—nanoscaleoxidesarecomposedofoxidesenrichinTiandY.Thechangeofthesizeandcomposition——ofthenanoscaleoxidesunderirradiationistrivia1,indicatingthegoodstabilityofnanoscaleoxidesin—℃heliumpreimplantedODSmaterialsunderirradiationat600.—Keywords:0DSmateria1;irradiation;nanoscaleoxideparticle;stability铁素体氧化物弥散强化(ODS)材料以其良好的高温力学性能和优异的抗辐照性能,成为未来聚变堆结构材料的备选材料之一[1]。ODS材料通常是通过粉末机械合金化,再经过热等静压或热挤压制备而成L4]。弥散在基体中的高密度纳米氧化物颗粒能够℃在1000以上保持稳定状态,其主要组成为Y和Ti的氧化物,大小在2 ̄50nm之间[6]。弥散分布的氧化物不仅钉扎位错,阻碍位错攀移提高材料的高温强度,而且由氧化物颗粒增加的界面可作为缺陷陷阱吸附辐照过程中产生的缺陷,诸如间隙原子、空位,提高材料的抗辐照性能。在有He环境中,细小的氧化物颗粒捕获He原子,阻碍He向晶界偏聚,从而降低了He在晶界的浓度以及He泡在晶界的有效危害尺寸[7]。因此,氧化物颗粒对提高材料的使用性能起着很重要的作用。目前,已经开展了一些ODS材料辐照损伤的研究,主要集中在氧化物颗粒的表征[8]、稳定性[1n]、ODS材料在辐照过程中微观形貌的变化[1"],包括辐照产生的空洞、位错等微观缺陷与辐照计量、温度等条件的关系。部分研究学者还采用He离子对ODS材第44卷第4期辐照过程中He对ODS合金中氧化物的影响91小于10nm的氧化物颗粒,其密度高于0.5×∞10个/m~,是影响ODS材料性能的主要因素之一。图3(a)是由APT重构的Cr,w,O,Y,Ti元素在未辐照的14YWT中的3D原子分布图。Ti,Y和O——元素在同一区域富集形成OTiY纳米氧化物颗粒。经辐照后Cr,0,Y,Ti元素的原子三维空间分布无明显变化,如图3(b)所示,氧化物颗粒主要成分还是由Ti,Y,O组成。采用最大分离法对比辐照与未辐照氧化物颗粒中Ti,Y,0元素间的含量,如表2所示,未辐照的氧化物颗粒中Y:Ti一0.43,(Y+Ti):O一1.35,辐照前氧化物颗粒的大小R和密度N分别为(1.084-0.52)nm,12.0×10。个/m~。研究人员采用APT还研究了14YW'l ̄,12YWTE19,20],MA957[]钢中氧化物颗粒中的Y与Ti之比,其结果都小于1,分别为0.1~0.32,0.24~O.63,0.38~0.46,相应的(Y+Ti)与O之比分别为1.0~1.14,1.27~1.42,0.63~1.2。本实验得到的结果基本与其一致。辐照后的氧化物颗粒中Y:Ti一0.46,(Y+Ti):O一1.32,说明氧化物颗粒在成分上无明显变化。辐照后氧化物颗粒的大小R和密度N分别为(1.O44-0.46)nm,8.8×10。个/m一,如图4所示,氧化物颗粒大小的分布最大峰值都出现在R一0.8nm左右。密度上的差异是由于氧化物颗粒在样品中分布不均匀引起的。一豢壤CrWOTiY图3Cr,W,O,Ti,Y三维原子分布图(a)未辐照;(b)辐照Fig.33DatomdistributionofCr,W,O,TiandY(a)unirradiated;(b)irradiated表2APT测得的氯化物颗粒的成分(原子分数/%)—Table2CompositionsofthenanoscaleoxidesdeterminedbyAPT(atomfraction/%)Nano-scaleoxideFeCrWOYTiUnirradiated55.720.50.510.23.68.4Irradiated58.517.10.41O.14.29.10.00.40.81.21.62.02.42.83.23.60.00.40.81.21.62.02.42.83.23.6尺,nm尺,nm图4氧化物颗粒尺寸分布状态(a)未辐照;(b)辐照—Fig.4Sizedistributionofnanoscaleoxides(a)unirradiated;(b)irradiated通过等浓度面方法以及其对应的浓度梯度方法研究组成氧化物颗粒的成分从界面到内部的变化情况,以及在氧化物颗粒周围的偏析情况。图5(a)为未辐—照样品中利用APT得到的YTi一0氧化物颗粒三维分布图,图5(b)为选取1.0Ti建立的等表面浓度三维图,并得到其对应元素浓度从界面到演化物颗粒内部的分布图(图5(c))。可知Y,Ti,O元素从氧化物颗粒与基体的界面到内部单调递增。Ti在氧化物颗粒中的含量高于Y的含量。Cr浓度沿界面到晶粒内部增加,增加到一定值后Cr的浓度增加斜率降低,说明Cr在氧化物颗粒与基体的界面处偏析。Hirata—等[。通过HAADFHRSTEM和高分辨模拟发现,特别细小的氧化物颗粒结构可能具有NaC1结构,在其周围存在Cr的偏析。Klimenkov等[2采用EFTEM发现较大的氧化物颗粒周围也存在Cr的偏析现象,Cr形成偏析层厚度为1.0~1.5nm。Maquis等[2认为氧化物周围富集的Cr层的厚度与氧化物颗粒大小有关,氧化物颗粒越大,周围富集的Cr的浓度越高。辐照后Cr,Y,Ti和O从氧化物颗粒界面到内部的变化趋势与未辐照时无明显变化,如图6所示。第44卷第4期辐照过程中He对ODS合金中氧化物的影响93radiationtoleranceofnano-structuredODSsteels[J].Journalof—MaterialsandMetallurgy,2012,11(1):4852.E43李明,周张健,廖璐,等.ODS铁素体钢中弥散氧化物的研究进展—EJ].材料导报:综述篇,2010,24(8):9498.LIM,ZHOUZJ,LIA0L,eta1.ResearchprogressofdispersedoxidesinODSferriticsteels[J].MaterialsReview,2010,24(8):94—98.Es]UKAIS,FuJ1wARAM.PerspectiveofODSalloysapplicationinnuclearenvironments[J].JournalofNuclearMaterials,2002,—307(1):749757.—[6]wUY,HANEYEM,CUNNINGHAMNJ,eta1.Transmissionelectronmicroscopycharacterizati0nofthenanofeaturesinnanostructuredferriticalloyMA957[J].ActaMaterialia,2012,60—(8):34563468.[7]KLUEHRL,sHIGLEDEcKERJP,swINDEMANRW,eta1.—Oxidedispersion-strengthenedsteels:acomparisonofsomecommercialandexperimentalalloys[J].JournalofNuclearMaterials,—2005,341(23):103一l14.[8]WILLIAMSCA,uNIFANTOwIczP,BALUCN,eta1.Theformationandevolutionofoxideparticlesinoxide--dispersion・・strengthenedferriticsteelsduringprocessing[J].ActaMateria一—1ia,2013,61(6):22192235.—[9]HSIUNGLL,FLUSSMJ,KIMURAA.Structureofoxidenan—oparticlesinFe-16CrMA/ODSferriticsteel[J].MaterialsLet—ters,2010,64(16):17821785.—[1O]PARISHCM,EDM0NDsoNPD,ZHANGY.Directobserva—tionofion-irradiationinducedchemicalmixing[J].Journalof——NuclearMaterials,2011,418(13):106109.[111LESCOATAML,RIBISAJ,GENTILSB.InsituTEMstudyofthestabilityofnano-oxidesinODSsteelsunderion-irradiation——[J].JournalofNuclearMaterials,2012,428(13):176182.—[12]KIMIS,HUNNJD,HAsHIMOT0N.Defectandvoidevolutioninoxidedispersionstrengthenedferriticsteelsunder3.2MeVFeionirradiationwithsimultaneousheliuminjection—[J].JournalofNuclearMaterials,2000,280(3):264274.[13]胡本荚,郭丽娜,贾成厂,等.双束(He/e一)辐照下氦对12Cr-ODS铁素体钢组织损伤影响研究口].核动力工程,2011,32(3):—4851.HUBF,GUOLN,JIACC,eta1.EffectofHeon12Cr-ODS——ferriticsteelstructuraldamageduring(He++e一)dualbeamir—radiation[J].NuclearPowerEngineering,2011,32(3):4851.[i4]HOELZERDT,BENTLEYJ,SOKOLOVMA.Influenceofparticledispersionsonthehigh-temperaturestrengthofferritic—alloys[J].JournalofNuclearMaterials,2007。367:166172.[15]STOLLERRE,TOLOCZKOMB,WASGS,eta1.OntheuseofSRIMforcomputingradiationdamageexposure[J].NuclearInstrumentsandMethodsinPhysicsResearchSectionB,2013,—310(11):7580.[16]MILLERMK.AtomProbeTomography[M].NewYork:Springer,2000.—[17]HYDEJM,MARQUISEA,WILFORDKB,eta1.Asensitivi—tyanalysisofthemaximumseparationmethodforthecharacterizationofsoluteclusters[J].Uhramieroscopy,2011,111(6):440—447.—[18]MILLERMK,RUSSELLKF,HOELZERDT,eta1.CharacterizationofprecipitatesinMA/ODSferriticalloys[J].Journal——ofNuclearMaterials,2006,351(15):261268.[19]MILLERMK,KENIKEA,RussELLKF,eta1.AtomprobetomographyofnanoscaleparticlesinODSferriticalloys[J].——MaterialsScienceandEngineering:A,2003,353(12):140145.[2O]ALINGERMJ,ODETTEGR,HOELZERDT,eta1.Onthe—roleofalloycompositionandprocessingparametersinnanoclusterformationanddispersionstrengtheninginnanostucturedfer-—riticalloys[J].ActaMaterialia,2009,57(2):392406.[21]MILLERMK,HOELZERDT,KENIKEA,eta1.NanomcterscaleprecipitationinferriticMA/ODSalloyMA957[J].Journal——ofNuclearMaterials,2004,329333(8):338341.——[22]MARQUISEA.Core/shellstructuresofoxygenrichnanofea—turesinoxidedispersionstrengthenedFeCralloys[J].Applied—PhysicsLetters,2008,93(18):19041906.[23]HIRATAA,FUJITAT,WENYR,eta1.Atomicstructureof—nanoclustersinoxide-dispersionstrengthenedsteels[J].Nature—Materials,2011,10(12):923926.—[24]KLIMENK0VM,LINDAuR,MOSLANGA,eta1.Newin—sightsintothestructureof0DSparticlesintheODS-Euroferal——loy[J].JournalofNuclearMaterials,2009,386388:553556.[25]DeCASTROV,LOZANOPS,JENKINSML_Stabilityof—nanoparticlesinanoxidedispersionstrengthenedalloy[J].Jour—na1ofPhysics:ConferenceSeries,2010,241(1):17.[26]KISHIMOTOH,KASADAR,HASHITOMIO.Stabilityof—YTicomplexoxidesinFe一16Cr-0.1TiODSferriticsteelbefore—andafterheavyionirradiation[J].JournalofNuclearMaterials,——2009,386388:533536.—[27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