氢离子辐照对CLAM钢微观结构的影响

D01:10.133741.ism1001053x.2009.04.0I8 第31卷第4期 北京科技大学学报 Vol.31 No.4 2009年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2009 氢离子辐照对CLAM钢微观结构的影响 乔建生1》赵飞》黄依娜)万发荣2》龙毅) 1)北京科技大学材料科学与工程学院北京100832)北京新能源材料与技术重点实验室，北京100083 摘要利用氢离子辐照的方法研究了CLAM钢的辐照缺陷形成行为.实验发现在基本成分的CLAM钢及添加Si的 CLAM钢中都产生了辐照析出现象.耐腐蚀合金元素C是产生辐照析出的合金元素之一，合金元素Si对于提高CLAM钢的 抗辐照析出性能具有显著作用. 关键词氢离子辐照：CLAM钢：辐照损伤：铬：硅 分类号TG142.24TL61+3 Effect of hydrogen ion irradiation on the microstructure of CLAM steel QIAO Jian-sheng.ZHAO Fei.HUANG Yi-na.WAN Fa-rong2.LONG Yi) 1)School of Materials Science and Engineering.University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083 China 2)Beijing Key Lab of Adv anced Energy Material and Techmlogy.Beijirg 100083.China ABSTRACT The microstructure of China low activation martensitic steel (CLAM)was investigated after irradiation by hy drogen ions.After irradiation precipitates were found in basic CLAM steel and in CLAM stee added silicon.Chromium is one of the alloy elements which increase precipitates after irradiation.but silicon is one of the alloy elements which suppress the damage of irradiation. KEY WORDS hydrogen ion irradiation:CLAM steek damage of irradiation;chiomium;silicon CLAM (China low activat ion martensitic steel) 散裂中子源等方法来模拟进行聚变堆材料辐照研 是在F82H、JLF-1、EUROFER97和9C一2WVTa 究9 基础上由中国自行研制开发的适用于核聚变反应堆 对CLAM钢辐照性能的研究采用电子辐照！、 第1壁的结构材料7.作为反应堆结构材料除了 F离子辐照9和等离子体辐照19的实验方法，并积 应具备足够的力学性能、耐蚀性能外，还应具有良好 累了一定的数据资料.与其他低活性铁素体/马氏 的抗辐照的特点，即要求辐照损伤引起的性能变化 reduced activation ferritic/martensitic steel 小.所谓辐照损伤是指材料受载能粒子轰击后产生 RAFM)类似，CLAM钢具有很低的辐照肿胀率和较 的点缺陷和缺陷团及其演化的离位峰、层错、位错 好的抗辐照肿胀性能.但是，对于CLAM钢中的辐 环、贫原子区、微空洞和析出的新相等.辐照效应因 照缺陷的形成行为还缺乏系统的研究；尤其是在核 危及反应堆安全，深受反应堆设计、制造和运行人员 聚变堆环境中，由于核嬗变反应会产生大量的氢、氦 的关注，并成为反应堆材料研究的重要内容.聚变元素，有必要研究氢、氦元素对辐照缺陷行为的 堆结构材料的辐照性能是决定其能否最终获得应用 影响. 的关键性能指标之一.目前，由于缺乏与聚变中子 本工作的目的在于研究辐照对CLAM钢微观 能谱相似的中子源，一般采用超高压透射电子显微 结构的影响.采用氢离子辐照的方法研究辐照前后 镜、高能离子加速器、快中子堆、高通量中子堆或者 CLAM钢的微观结构变化：为了分析合金元素铬和 收稿日期：200804-15 基金项目：国家自然科学基金资助项目(N。.50771017):国家重点基础研究发展计划基金资助项目(No.2007ID102) 作者简介：乔建生(1965一)，男，博士研究生；万发荣(1955一)，男，教授，博士生导师，E-mail:wmfr@mter.ustb.adu.m

氢离子辐照对 CLAM 钢微观结构的影响 乔建生1) 赵 飞1) 黄依娜1) 万发荣1 , 2) 龙 毅1) 1)北京科技大学材料科学与工程学院, 北京 100083 2)北京新能源材料与技术重点实验室, 北京 100083 摘 要 利用氢离子辐照的方法研究了 CLAM 钢的辐照缺陷形成行为.实验发现, 在基本成分的 CLAM 钢及添加 Si 的 CLAM 钢中都产生了辐照析出现象.耐腐蚀合金元素 Cr 是产生辐照析出的合金元素之一, 合金元素 Si 对于提高 CLAM 钢的 抗辐照析出性能具有显著作用. 关键词 氢离子辐照;CLAM 钢;辐照损伤;铬;硅 分类号 TG142.24;TL 61 +3 Effect of hydrogen ion irradiation on the microstructure of CLAM steel QIAO Jian-sheng 1), ZHAO Fei 1), HU ANG Y i-na 1), WAN Fa-rong 1 , 2), LONG Y i 1) 1)School of Mat erials Science and Engineering , University of S cience and Technology Beijing , Beijing 100083 , China 2)Beijing Key Lab of Advanced Energy Mat erial and Tech nology , Beijing 100083 , China ABSTRACT The microstructure of China low activ atio n martensitic steel (CLAM)w as investig ated after irradiation by hy drogen ions.After irradiation, precipitates were found in basic CLAM steel and in CLAM steel added silicon.Chromium is one of the alloy elements which increase precipitates after irradiation , but silicon is one of the alloy elements which suppress the damage of irradiatio n. KEY WORDS hydrogen io n irradiation ;CLAM steel;damage of irradiation ;chromium ;silicon 收稿日期:2008-04-15 基金项目:国家自然科学基金资助项目(No .50771017);国家重点基础研究发展计划基金资助项目(No .2007ID102) 作者简介:乔建生(1965—), 男, 博士研究生;万发荣(1955—), 男, 教授, 博士生导师, E-mail:w anfr @mat er .ustb.edu.cn CLAM(China low activation martensitic steel)钢 是在 F82H 、JLF -1 、EUROFER97 和 9Cr-2WVTa 基础上由中国自行研制开发的适用于核聚变反应堆 第 1 壁的结构材料[ 1-7] .作为反应堆结构材料除了 应具备足够的力学性能、耐蚀性能外,还应具有良好 的抗辐照的特点 ,即要求辐照损伤引起的性能变化 小.所谓辐照损伤是指材料受载能粒子轰击后产生 的点缺陷和缺陷团及其演化的离位峰 、层错、位错 环、贫原子区、微空洞和析出的新相等 .辐照效应因 危及反应堆安全 ,深受反应堆设计 、制造和运行人员 的关注 ,并成为反应堆材料研究的重要内容.聚变 堆结构材料的辐照性能是决定其能否最终获得应用 的关键性能指标之一.目前, 由于缺乏与聚变中子 能谱相似的中子源 ,一般采用超高压透射电子显微 镜、高能离子加速器、快中子堆 、高通量中子堆或者 散裂中子源等方法来模拟进行聚变堆材料辐照研 究 [ 8] . 对 CLAM 钢辐照性能的研究采用电子辐照 [ 1] 、 F 离子辐照 [ 9] 和等离子体辐照 [ 10] 的实验方法 ,并积 累了一定的数据资料.与其他低活性铁素体/马氏 体钢 (reduced activation ferritic/martensitic steel, RAFM)类似, CLAM 钢具有很低的辐照肿胀率和较 好的抗辐照肿胀性能 .但是 ,对于 CLAM 钢中的辐 照缺陷的形成行为还缺乏系统的研究;尤其是在核 聚变堆环境中,由于核嬗变反应会产生大量的氢 、氦 元素, 有必要研究氢 、氦元素对辐照缺陷行为的 影响. 本工作的目的在于研究辐照对 CLAM 钢微观 结构的影响 .采用氢离子辐照的方法研究辐照前后 CLAM 钢的微观结构变化 ;为了分析合金元素铬和 第 31 卷 第 4 期 2009 年 4 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol .31 No.4 Apr.2009 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2009.04.018

446 北京科技大学学报 第31卷 CLAM钢中添加元素硅对CLAM钢辐照性能的影 的二元合金，用于研究合金元素Cr对于辐照缺陷行 响，研究材料选用了纯铁、铁铬合金、基本成分的 为的影响.其制备方法是通过真空感应炉熔炼浇 CLAM钢和添加硅的CLAM钢. 铸成5kg锭在1200℃加工成所需的尺寸，然后进 1材料制备与实验方法 行热处理.热处理工艺为：在980℃保温30min,水 冷淬火：再在760℃保温90min,空冷回火.基本成 本实验采用纯度为99.9%的纯铁、Fe一10Cr合 分的CLAM钢和添加Si的CLAM钢(CLAM+Si) 金、基本成分的CLAM钢以及添加Si的CLAM钢 的化学成分如表1所示. 四种试样.Fe一10Cr合金是含10%Cr(质量分数) 表1实验用CLAM钢的化学成分（质量分数） Table I Chemical composition of CLAM steel % 合金 Cr W Ta Mn Si C Fe CLAM 8.80 1.49 0.20 0.059 068 一 013 余量 CLAM+Si 9.11 151 0.21 0.160 041 046 010 余量 从经过热处理后的上述四种块状实验材料的试 照前后的微观结构变化情况.从辐照前的照片 样上（纯铁没有热处理）用线切割方法切下0.3mm 图1(a)中可以看出，基本成分的CLAM钢的显微结 厚的薄片，机械减薄至0.1mm以下，冲成直径为 构主要是板条马氏体和铁素体，在马氏体板条内部 3mm的圆片.利用电解双喷减薄仪制成最终的透射 分布着一定数量的位错线，板条宽度约为200~ 电镜实验用样品.双喷减薄仪型号为上海交通大学 700m,在板条内部和板条之间有少量析出物.从 生产的MTP一1A型，双喷减薄电解液为5%的高氯 经过450℃氢离子辐照后的图1(b)可以看到， 酸甲醇溶液，减薄温度控制在一40~一50℃. 450C氢离子辐照后，在基本成分的CLAM钢中产 氢离子辐照实验在中科院半导体所的LC一4型 生了大量的黑色斑点，尺寸约为8~30nm,数密度约 离子加速器上进行.离子加速电压为100kV;辐照 1.25X1021m-3.为了区别这些黑色斑点是析出物 温度为450℃；真空度为6×104Pa:辐照剂量为 还是辐照产生的缺陷。进行透射电镜样品台倾转（只 1×1017H·cm-2,束流强度开始为50A,随着辐照 进行了单倾)对比实验.图2是经过辐照的试样在 时间的延长经1h后变为约45A,经2h后稳定到 电镜中进行倾转观察的照片，从倾转前后的照片对 40严A:总辐照时间为5h.辐照时采用的离子为 比可以看出，经过约2°的倾转对黑色斑点的衬度影 H时， 响不大，在图2(a)中能观察到的黑色斑点在图2(b) 利用日立止-800透射电子显微镜分析辐照前 中几乎都能看到，只有为数不多的斑点在倾转前后 后的样品，对比微观结构的变化情况，以研究氢离子 发生了变化.根据缺陷和析出物的成像原理，那些 辐照对材料显微结构的影响. 经过倾转后消失的黑斑主要是由于辐照形成的缺 陷，倾转后变化不大的黑斑是析出物.由此可以知 2实验结果与讨论 道高温氢离子辐照在基本成分的CLAM钢中会产 图1是基本成分的CLAM钢试样在氢离子辐 生大量的析出物. 300tm 300nm 图1基本成分的CLAM钢经氢离子辐照前后的微观结构.(a)辐照前：(h)辐照后 Fig.I Microstructures of CLAM steel before (a)and after H irradiation (b)

C LAM 钢中添加元素硅对 CLAM 钢辐照性能的影 响, 研究材料选用了纯铁 、铁铬合金 、基本成分的 C LAM 钢和添加硅的 C LAM 钢 . 1 材料制备与实验方法 本实验采用纯度为 99.9 %的纯铁 、Fe-10Cr 合 金、基本成分的 CLAM 钢以及添加 Si 的 C LAM 钢 四种试样.Fe-10Cr 合金是含 10 %Cr(质量分数) 的二元合金 ,用于研究合金元素 Cr 对于辐照缺陷行 为的影响 .其制备方法是通过真空感应炉熔炼, 浇 铸成 5 kg 锭, 在 1 200 ℃加工成所需的尺寸, 然后进 行热处理 .热处理工艺为 :在 980 ℃保温 30 min ,水 冷淬火;再在 760 ℃保温 90 min , 空冷回火 .基本成 分的 C LAM 钢和添加 Si 的 CLAM 钢(C LAM +Si) 的化学成分如表 1 所示 . 表 1 实验用C LAM 钢的化学成分(质量分数) Table 1 Chemical composition of CLAM steel % 合金 Cr W V Ta M n Si C Fe C LAM 8.80 1.49 0.20 0.059 0.68 — 0.13 余量 C LAM +S i 9.11 1.51 0.21 0.160 0.41 0.46 0.10 余量 从经过热处理后的上述四种块状实验材料的试 样上(纯铁没有热处理)用线切割方法切下 0.3 mm 厚的薄片 , 机械减薄至 0.1 mm 以下, 冲成直径为 3 mm的圆片.利用电解双喷减薄仪制成最终的透射 电镜实验用样品 .双喷减薄仪型号为上海交通大学 生产的 MTP-1A 型, 双喷减薄电解液为 5 %的高氯 酸甲醇溶液,减薄温度控制在 -40 ～ -50 ℃. 氢离子辐照实验在中科院半导体所的 LC-4 型 离子加速器上进行 .离子加速电压为 100 kV ;辐照 温度为 450 ℃;真空度为 6 ×10 -4 Pa ;辐照剂量为 1 ×10 17 H·cm -2 ;束流强度开始为 50 μA , 随着辐照 时间的延长经 1 h 后变为约 45 μA , 经 2 h 后稳定到 40μA ;总辐照时间为 5 h .辐照时采用的离子为 H + 2 . 利用日立 H-800 透射电子显微镜分析辐照前 后的样品 ,对比微观结构的变化情况,以研究氢离子 辐照对材料显微结构的影响. 2 实验结果与讨论 图 1 是基本成分的 CLAM 钢试样在氢离子辐 照前后的微观结构变化情况.从辐照前的照片 图 1(a)中可以看出 ,基本成分的 CLAM 钢的显微结 构主要是板条马氏体和铁素体, 在马氏体板条内部 分布着一定数量的位错线, 板条宽度约为200 ～ 700 nm ,在板条内部和板条之间有少量析出物 .从 经过 450 ℃氢离子 辐照后的图 1(b)可以看到, 450 ℃氢离子辐照后 ,在基本成分的 CLAM 钢中产 生了大量的黑色斑点, 尺寸约为8 ～ 30 nm ,数密度约 1.25 ×10 21 m -3 .为了区别这些黑色斑点是析出物 还是辐照产生的缺陷, 进行透射电镜样品台倾转(只 进行了单倾)对比实验.图 2 是经过辐照的试样在 电镜中进行倾转观察的照片 ,从倾转前后的照片对 比可以看出, 经过约 2°的倾转对黑色斑点的衬度影 响不大 ,在图 2(a)中能观察到的黑色斑点在图 2(b) 中几乎都能看到, 只有为数不多的斑点在倾转前后 发生了变化.根据缺陷和析出物的成像原理, 那些 经过倾转后消失的黑斑主要是由于辐照形成的缺 陷 ,倾转后变化不大的黑斑是析出物.由此可以知 道高温氢离子辐照在基本成分的 CLAM 钢中会产 生大量的析出物. 图 1 基本成分的C LAM 钢经氢离子辐照前后的微观结构.(a)辐照前;(b)辐照后 Fig.1 Mi crostructures of CLAM steel before (a)and aft er H + irradiation (b) · 446 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷

第4期 乔建生等：氢离子辐照对LAM钢微观结构的影响 447。 b) 100 nm 100nm 图2基本成分的CLAM钢经氢离子辐照后的试样倾转TEM照片.(a)0:(b)2 Fig 2 TEM micmgraphs show ing the rotated micmostmucture of CLAM steel by H+irradiation:(a)0;(b)2 对析出物进行能谱分析，结果如表2所示.由 量显著降低，铬含量超出基体中铬含量的5倍，钨含 表1与表2比较可见，基本成分的CLAM钢经过离 量超出基体中含量的6倍，所以基本成分的CLAM 子辐照后析出物中主要合金元素是铁、铬和钨，质量 钢经过离子辐照后产生了一种富铬的析出物，析出 分数分别为31.88%、55.58%和1080%，其中铁含 物中也包含了大量的合金元素钨. 表2实验材料辐照析出物的化学成分（质量分数） Table 2 Chemical com position of precipitates in experimental materials after irradation % 合金 Si Ti Cr Mn Ta 年 Fe-10Cr 087 0 0 0.18 22.54 052 75.34 0 0.61 CLAM 0 024 037 0.64 55.58 050 31.88 0 1080 CLAM+Si 599 0 036 0.17 14.76 495 6469 7.57 210 图3为添加Si的CLAM钢试样经氢离子辐照 密度约为1.13×102m-3.图4是辐照后的试样在 前后的显微结构变化对比图.在氢离子辐照前的照 透射电镜中进行样品台倾转（单倾）前后的显微结构 片中只能看到少量位错线（图3(a);从经过辐照的 照片，与图2中观察到的情况类似，倾转对尺寸较大 显微结构中可以看出，450℃辐照在添加Si的 的黑色斑点的衬度没有太大影响，少许尺寸比较小 CLAM钢中产生了大量的黑色斑点.从分布情况来 的黑色斑点发生了一定变化.结果显示，与基本成 看，黑斑的数密度相对于基本成分的CLAM钢中的 分的CLAM钢一样，高温注氢在添加硅的CLAM 数密度来说比较小：直接观测，黑斑尺寸没有什么区 钢中也产生了大量析出物. 别，进行具体计算得到黑斑尺寸约为8~20nm,数 对辐照析出物进行能谱分析，结果如表2所示. (a) 6 200nm 200nm 图3添加Si的CLAM钢经氢离子辐照前后的微观结构.(a)辐照前：)辐照后 Fig.3 Microstructures of Si+CLAM steel before (a)and after H+irradiation (b)

图 2 基本成分的 CLAM 钢经氢离子辐照后的试样倾转 TEM 照片.(a)0°;(b)2° Fig.2 T EM micrographs show ing the rot at ed microstructure of CLAM steel by H +irradiation:(a)0°;(b)2° 对析出物进行能谱分析, 结果如表 2 所示.由 表 1 与表 2 比较可见 ,基本成分的 CLAM 钢经过离 子辐照后析出物中主要合金元素是铁、铬和钨 ,质量 分数分别为 31.88 %、55.58 %和 10.80 %,其中铁含 量显著降低 ,铬含量超出基体中铬含量的 5 倍, 钨含 量超出基体中含量的 6 倍 ,所以基本成分的 CLAM 钢经过离子辐照后产生了一种富铬的析出物 ,析出 物中也包含了大量的合金元素钨 . 表 2 实验材料辐照析出物的化学成分(质量分数) Tabl e 2 Chemical com position of precipit at es in experimental materials aft er irradiation % 合金 Si S Ti V Cr M n Fe Ta W Fe-10Cr 0.87 0 0 0.18 22.54 0.52 75.34 0 0.61 C LAM 0 0.24 0.37 0.64 55.58 0.50 31.88 0 10.80 C LAM +S i 5.99 0 0.36 0.17 14.76 4.95 64.69 7.57 2.10 图 3 为添加 Si 的 CLAM 钢试样经氢离子辐照 前后的显微结构变化对比图.在氢离子辐照前的照 片中只能看到少量位错线(图 3(a));从经过辐照的 显微结构中可以看出 , 450 ℃辐照在添加 Si 的 C LAM 钢中产生了大量的黑色斑点 .从分布情况来 看,黑斑的数密度相对于基本成分的 C LAM 钢中的 数密度来说比较小;直接观测 ,黑斑尺寸没有什么区 别,进行具体计算得到黑斑尺寸约为 8 ～ 20 nm , 数 密度约为 1.13 ×10 21 m -3.图 4 是辐照后的试样在 透射电镜中进行样品台倾转(单倾)前后的显微结构 照片,与图 2 中观察到的情况类似,倾转对尺寸较大 的黑色斑点的衬度没有太大影响, 少许尺寸比较小 的黑色斑点发生了一定变化 .结果显示, 与基本成 分的 CLAM 钢一样, 高温注氢在添加硅的 CLAM 钢中也产生了大量析出物. 对辐照析出物进行能谱分析 ,结果如表 2 所示. 图 3 添加Si 的C LAM 钢经氢离子辐照前后的微观结构.(a)辐照前;(b)辐照后 Fig.3 Mi crostructu res of Si+CLAM steel before (a)and aft er H + irradiation (b) 第 4 期 乔建生等:氢离子辐照对 CLAM 钢微观结构的影响 · 447 ·

。448 北京科技大学学报 第31卷 100nm 100nm 图4添加Si的CLAM钢经氢离子辐照后的试样倾转TEM照片.(a)0°：(b)2° Fig 4 TEM micmographs showing the rotated micmstructure of Si+CLAM steel by H+irradiat ion:(a)0:(b)2 由表1与表2比较可见，加Si的CLAM钢经过离子 钨和锰等合金元素. 辐照后析出物中的主要合金元素是铁、铬、硅和钽， 图5为Fe一10Cr合金试样在氢离子辐照前后 质量分数分别为64.69%、1476%、599%和 的微观结构变化图.由氢离子辐照前的TEM照片 7.57%其中铁含量降低，铬含量超出基体中铬含 (图5(a)可以看到，Fe一10Cr的显微结构中很少发 量，硅和钽的含量远远超出基体中的含量.除此之 现明显的缺陷存在.经过氢离子辐照后，在Fe一 外，在加Si的CLAM钢经过离子辐照后析出物中 I0Cr合金的内部产生了大量的细小的黑色斑点（如 还含有一定量的钨和锰.所以加Si的CLAM钢经 图5(b),黑色斑点的尺寸约为5~10nm,数密度约 过离子辐照后同样产生了一种富铬的析出物，析出 为3.5×1021m3.经过试样倾转实验证明，这种黑 物中也包含了大量的合金元素硅和钽以及一定量的 色斑点也是析出物引起的衬度像， (a) 200nm 200nm 图5F一10Cr合金经氢离子辐照前后的微观结构.(a)辐照前：(b)辐照后 Fig 5 Microstructures of the Fe-10Cr alloy before (a)and after H+iradiation (b) 对辐照析出物进行能谱分析，结果如表2所示. 分布的位错环缺陷，位错环的尺寸约为5~50nm, 由表2可见，Fe一l0Cr合金经过离子辐照后析出物 位错环的数密度约为5.51×1021m3.与前面三种 中主要合金元素是铁和铬，铁质量分数为75.34%， 试样经过氢离子辐照后所观察到的结果不同，在纯 小于Fe一10Cr合金中辐照前铁质量分数90%，铬质 铁中没有出现上面提到的黑斑衬度.从上述结果可 量分数为22.54%，超出辐照前铬质量分数10%的 知，高温氢辐照会在CLAM钢中产生析出，而且这 近l.5倍，所以Fe-l0Cr合金经过离子辐照后产生 种析出与合金元素Cr有关. 了一种富铬的析出物. 图7是氢离子辐照在纯铁中产生的位错环经透 图6是纯铁试样经氢离子辐照前后的微观结构 射电镜样品台倾转（单倾）前后的变化情况.从图中 变化图.从氢离子辐照前的TEM照片中除了能看 可以看出，倾转使位错环的衬度像发生变化，例如倾 到少许的位错线存在以外，几乎没有看到别的缺陷 转前的照片中箭头所指的位错环，在经过倾转以后 存在：经过氢离子辐照后在纯铁中产生了大量均匀 则消失了

图 4 添加 Si 的 CLAM 钢经氢离子辐照后的试样倾转 TEM 照片.(a)0°;(b)2° Fig.4 T EM micrographs showing the rot at ed microstructure of S i+CLAM steel by H +irradiation:(a)0°;(b)2° 由表 1 与表 2 比较可见 ,加Si 的CLAM 钢经过离子 辐照后析出物中的主要合金元素是铁 、铬 、硅和钽 , 质量 分 数 分 别 为 64.69 %、14.76 %、 5.99 %和 7.57 %,其中铁含量降低 , 铬含量超出基体中铬含 量,硅和钽的含量远远超出基体中的含量.除此之 外,在加 Si 的 CLAM 钢经过离子辐照后析出物中 还含有一定量的钨和锰.所以加 Si 的 CLAM 钢经 过离子辐照后同样产生了一种富铬的析出物, 析出 物中也包含了大量的合金元素硅和钽以及一定量的 钨和锰等合金元素 . 图 5 为 Fe-10Cr 合金试样在氢离子辐照前后 的微观结构变化图.由氢离子辐照前的 TEM 照片 (图 5(a))可以看到, Fe-10Cr 的显微结构中很少发 现明显的缺陷存在 .经过氢离子辐照后 , 在 Fe - 10Cr 合金的内部产生了大量的细小的黑色斑点(如 图 5(b)), 黑色斑点的尺寸约为 5 ～ 10 nm ,数密度约 为 3.5 ×10 21 m -3 .经过试样倾转实验证明, 这种黑 色斑点也是析出物引起的衬度像 . 图 5 Fe-10C r 合金经氢离子辐照前后的微观结构.(a)辐照前;(b)辐照后 Fig.5 Microstructures of the Fe-10C r alloy bef ore (a)and after H +irradiation(b) 对辐照析出物进行能谱分析, 结果如表 2 所示 . 由表 2 可见 , Fe-10Cr 合金经过离子辐照后析出物 中主要合金元素是铁和铬, 铁质量分数为 75.34 %, 小于 Fe-10Cr 合金中辐照前铁质量分数 90 %,铬质 量分数为 22.54 %,超出辐照前铬质量分数 10 %的 近 1.5 倍, 所以 Fe-10Cr 合金经过离子辐照后产生 了一种富铬的析出物 . 图 6 是纯铁试样经氢离子辐照前后的微观结构 变化图 .从氢离子辐照前的 TEM 照片中除了能看 到少许的位错线存在以外, 几乎没有看到别的缺陷 存在;经过氢离子辐照后在纯铁中产生了大量均匀 分布的位错环缺陷, 位错环的尺寸约为 5 ～ 50 nm , 位错环的数密度约为 5.51 ×10 21 m -3 .与前面三种 试样经过氢离子辐照后所观察到的结果不同 ,在纯 铁中没有出现上面提到的黑斑衬度 .从上述结果可 知 ,高温氢辐照会在 CLAM 钢中产生析出 ,而且这 种析出与合金元素 Cr 有关 . 图 7 是氢离子辐照在纯铁中产生的位错环经透 射电镜样品台倾转(单倾)前后的变化情况 .从图中 可以看出,倾转使位错环的衬度像发生变化,例如倾 转前的照片中箭头所指的位错环, 在经过倾转以后 则消失了. · 448 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷

第4期 乔建生等：氢离子辐照对(AM钢微观结构的影响 ·449。 (a) 200nm 200nm 图6纯铁经氢离子辐照前后的微观结构.()辐照前：(b)辐照后 Fig 6 Microstmuctures of pure Fe before irradiation (a)and after H+irradiat ion (b) 100nm 100nm 图7纯铁经氢离子辐照后的试样倾转TEM照片.(a)0°：(b)2° Fig.7 TEM micrographs show ing the rotated microstructure of pure Fe by H+irradiation:(a)0;(b)2 在上述高温氢离子辐照实验中，除纯铁试样以 (2)CLAM钢中的耐腐蚀合金元素Cr是产生 外都在材料内部产生了大量的黑色斑点，黑斑的数 辐照析出的合金元素之一，与Fe一l0Cr合金不同， 密度为1021m3数量级尺寸均比较细小.在相同 CLAM钢经过离子辐照后的析出物中除了富铬以 的辐照条件下，在添加硅的CLAM钢中产生的黑色 外，还包含了大量的合金元素钨.加Si的CLAM钢 斑点相对于另外几种实验材料来说要少一些：而在 经过离子辐照后的富铬析出物中包含大量的合金元 纯铁中没有看到黑色斑点，只是出现了大量明显的 素硅、钽以及一定量的钨和锰等合金元素， 位错环. (3)相对于Fe一l0Cr合金而言，基本成分的 CLAM钢所产生的析出物的尺寸稍大，析出物的数 3结论 密度较小.说明相对于Fe一l0Cr合金而言，由于基 (1)用氢离子辐照纯Fe、Fe一l0Cr合金、基本成 本成分的CLAM钢中添加了其他合金元素，具有了 分的CLAM钢、添加Si的CLAM钢后，均产生了辐 一定的抑制辐照析出物形核的作用. 照损伤.在纯Fe中表现为产生了大量的位错环；在 (4)添加Si的CLAM钢与基本成分的CLAM Fe一IOCr合金、基本成分的CLAM钢、添加Si的 钢相比较，产生的析出物的大小基本相同，数密度只 CLAM钢中表现为产生了大量的黑色点状析出物 是基本成分的CLAM钢中产生的析出物数密度的 和少量的位错环. 1/2,因而在CLAM钢中添加Si可以进一步抑制辐

图 6 纯铁经氢离子辐照前后的微观结构.(a)辐照前;(b)辐照后 Fig.6 Microstructures of pu re Fe before irradiati on (a)and aft er H +irradiation (b) 图 7 纯铁经氢离子辐照后的试样倾转 TEM 照片.(a)0°;(b)2° Fig.7 TEM micrographs show ing the rotat ed microstructu re of pure Fe by H + irradiation:(a)0°;(b)2° 在上述高温氢离子辐照实验中 ,除纯铁试样以 外都在材料内部产生了大量的黑色斑点, 黑斑的数 密度为 10 21 m -3数量级, 尺寸均比较细小 .在相同 的辐照条件下, 在添加硅的 CLAM 钢中产生的黑色 斑点相对于另外几种实验材料来说要少一些;而在 纯铁中没有看到黑色斑点, 只是出现了大量明显的 位错环. 3 结论 (1)用氢离子辐照纯 Fe 、Fe-10Cr 合金 、基本成 分的 CLAM 钢、添加 Si 的 CLAM 钢后 ,均产生了辐 照损伤 .在纯 Fe 中表现为产生了大量的位错环;在 Fe-10Cr 合金 、基本成分的 CLAM 钢、添加 Si 的 C LAM 钢中表现为产生了大量的黑色点状析出物 和少量的位错环 . (2)CLAM 钢中的耐腐蚀合金元素 Cr 是产生 辐照析出的合金元素之一 .与 Fe-10Cr 合金不同, CLAM 钢经过离子辐照后的析出物中除了富铬以 外 ,还包含了大量的合金元素钨 .加 Si 的 CLAM 钢 经过离子辐照后的富铬析出物中包含大量的合金元 素硅、钽以及一定量的钨和锰等合金元素 . (3)相对于 Fe -10C r 合金而言 , 基本成分的 CLAM 钢所产生的析出物的尺寸稍大, 析出物的数 密度较小.说明相对于 Fe-10Cr 合金而言, 由于基 本成分的 C LAM 钢中添加了其他合金元素, 具有了 一定的抑制辐照析出物形核的作用. (4)添加 Si 的 CLAM 钢与基本成分的 CLAM 钢相比较,产生的析出物的大小基本相同 ,数密度只 是基本成分的 CLAM 钢中产生的析出物数密度的 1/2 ,因而在 CLAM 钢中添加 Si 可以进一步抑制辐 第 4 期 乔建生等:氢离子辐照对 CLAM 钢微观结构的影响 · 449 ·

。450· 北京科技大学学报 第31卷 照析出现象的发生。 (李春京，黄群英吴宜灿.等.中国低活化马氏体钢CLAM热 等静压扩散焊接初步研究.核科学与工程2007,27(1)：55) 参考文献 [6 Huang Q Y.Li C Chen Y X.Study of irradiation effects in China low activation martensitic sted CLAM.J Nud Mater. [1]Huang Q Y,LiCJ Li Y F,ct al R&D status of China low ac- 2004,329/333:268 tivation martensitic steel.J Nucl Sci Eng,2007,27(1):41 [7 GaoS,Zhang M L.Zhu Z Q.c al.Preliminary experimental (黄群英李春京，李燕芬，等.中国低活化马氏体钢CLAM研 study on the corrosion of China low activat ion martensitic steel in 究进展.核科学与工程200727(1)：41) liquid lithium lead.J Nucl Sci Eng.2007.27(1):51 [2]Huang Q Y,Yu JN,Wan F R.et al.The devebpment of low (高胜，章毛连，朱志强，等.中国低活化马氏体钢CLAM在液 activation martensitie steels for fusion reactor.Nucl Sci Eng. 态锂铅中腐蚀的初步研究.核科学与工程，2007,27(1)：51) 200424(1):56 [8 Wan F R.Irradiation Damage of Metal Materials.Beijing:Sci- (黄群英，郁金南，万发荣，等.聚变堆低活化马氏体钢的发展. ence Press 1993 核科学与工程200424(1)：56) (万发荣.金属材料的辐照损伤.北京科学出版社.1993) [3]Zhao F,Wan K B.Qiao JS,et al.The microstructure and me- [9 Li Y F.Huang Q Y,Wu Y C.et al Effects of addition of yttri- chanical properties of China low activation martensitic steel. um on pmperties and micmostructure for China low activation Nud Sci Eng,2007,27(1):59 martensitic steel (CLAM).Fusion Eng Des,2007 82:2683 (赵飞，万奎贝，乔建生，等.低活化马氏体钢的微观结构与力 [10 LiQ.Huarg Q Y.Yu J N et al.Surface analysis of CLAM 学性能.核科学与工程200727(1)：59) steel.EU ROFER97 steel and W irradiated in HT-7 T okamak. [4]Li Y F.Huang Q Y,Wu YC.Study on impact and tensile pmp- Nud Sci Eng2004.24(2):157 erties of CLA M steel.Nucl Plns Rev,2006 23(2):151 (李强，黄群英，郁金南.等.CLAM钢、EUROFER97钢与钨 (李艳芬，黄群英吴宜灿.CLAM钢冲击和拉伸性能测试与研 在HT一7托卡马克中辐照后的表面分析.核科学与工程， 究.原子核物理评论，2006.23(2)：151) 2004,24(2):157) [5]LiC J.Huang Q Y,Wu Y C.et al.Prelmimary study on hot [11]Konobeev Y V,Dvoriashin A M,Porolo S L et al.Swelling isostatic pressing dffusion welding for China low activation and micmostructure of pure Fe and FeCr alloys after neutron ia martensitic (CLAM)steel.J Nucl Sci Eng.2007,27(1):55 diation to -26 dpa at 400C.J Nucl Mater,2006.355:124

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