杨苏冰等：脉冲激光亦或电子束辐照对SS316L奥氏体不锈钢中空位扩散的影响 ·907· 偏析区域 ■- ■-Cr -Ni Ni 6 -160-120-80-4004080120160 -160-120-80-4004080120160 与晶界距离m 与品界距离mm 图5不同辐照条件下品界处Cr和Ni的偏析情况.(a)电子束辐照：(b)脉冲激光-电子束双束同时辐照 Fig.5 Amount of Cr and Ni segregation near grain boundary under different irradiations:(a)electron irradiation;(b)simultaneous pulsed-laser and electron dual-beam irradiation (b)同时辐照条件下，激光辐照引入空位速率约 (3)同时辐照下空位向晶界扩散的扩散通量仅为 为7.4×107s1[2],远小于电子辐照的2.0×103 电子辐照的45.7%：与电子辐照相比，同时辐照提高 s1,因此，稳定阶段可以忽略激光-电子束同时辐照中 了空位与间隙原子再结合度，降低了空位扩散通量，流 激光辐照引入空位速率，认为两种辐照条件下G 入尾闾中的空位数量减少，进而极大抑制了辐照偏析 相等. 与肿胀.脉冲激光-电子束双束同时辐照可为探索抑 依据式(2)计算可得： 制肿胀方法提供新的思路. WyDz.LWz=[(DyCv)/(DyCy)], 致谢 (D,Cv)Le-/(D,Cv)。-=45.7%. 感谢北海道大学工学部渡边精一教授、柴山环树 空位向晶界扩散的扩散通量越低，偏析程度越小 教授和北京科技大学冶金与生态工程学院张婧博士在 同时辐照条件下空位扩散通量为电子束辐照的 实验和数据分析方面的有益讨论：感谢北海道大学工 45.7%,与两种辐照条件下Cr偏析量的比值51.9%比 学部于睿最博士、类延华博士、超高压电子显微镜室大 较接近，空位扩散通量的降低抑制了C偏析.而两种 久保贤二先生、谷冈隆志先生和大多亮先生在辐照实 辐照条件下Ni偏析量的比值为36.9%，小于45.7%. 验方面给予的帮助：感谢中国石油大学（北京）能源材 这是由于N的偏析也受间隙原子扩散的影响，而再结 料微结构实验室杨峰老师、刘颖老师在透射电子显微 合度的提高同样会降低间隙原子的扩散通量，因此同 镜表征方面提供的帮助. 时辐照对Ni偏析的抑制效果更明显.与此同时，这一 计算结果也很好的解释了同时辐照对肿胀的抑制效 参考文献 果.与电子辐照相比，同时辐照下空位向晶界扩散的 [1]Yvon P,Carre F.Structural materials challenges for advanced re- 扩散通量减小，表明同样作为尾闾的空洞吸收空位数 actor systems.J Nucl Mater,2009,385(2):217 量也有所减少，进而造成空洞长大速率降低，肿胀率 [2]Yang C.Fang C.Tong JJ.Necessity of developing nuclear ener- 减小 gy in China.Nucl Pow Eng,2014,35(Suppl 1):200 (杨辰，房超，童节娟.中国发展核能的必要性.核动力工程， 3结论 2014,35(增刊1)：200) (1)电子束辐照及脉冲激光-电子束同时辐照后 [3]Zinkle S J,Was G S.Materials challenges in nuclear energy.Acta Mater,.2013,61(3):735 自由晶界处无空洞区域的宽度分别为71±27nm和48 [4]Huang H F,Li J J,Liu R D,et al.Temperature effect of Xe ion ±16nm:同时辐照下，空位与间隙原子再结合度提高， irradiation to 316 austenitic stainless steel.Acta Metall Sin,2014 限制了空位向晶界扩散，晶界处空位聚集形成空洞几 50(10):1189 率增加，Wvm减小. (黄鹤飞，李健健，刘仁多，等.316奥氏体不绣钢离子辐照 (2)电子束辐照下晶界处C和Ni的偏析量分别 损伤中的温度效应研究.金属学报，2014,50(10)：1189) 为-10.2%和+22.5%，而同时辐照下为-5.4%和 [5]Zinkle S J,Ghoniem N M.Prospects for accelerated development of high performance structural materials.J Nucl Mater,2011,417 +8.3%;电子辐照下Ws约55nm,而同时辐照下仅25 (1):2 nm左右.不论在偏析程度还是宽度上，同时辐照条件 [6] Garner F A,Toloczko M B,Sencer B H.Comparison of swelling 下Cr和Ni的偏析都小于对应的电子束辐照，同时辐 and irradiation creep behavior of fec-austenitic and bce-ferritic 照会限制空位向晶界扩散 martensitic alloys at high neutron exposure.Nucl Mater,2000,杨苏冰等: 脉冲激光亦或电子束辐照对 SUS316L 奥氏体不锈钢中空位扩散的影响 图 5 不同辐照条件下晶界处 Cr 和 Ni 的偏析情况 郾 (a)电子束辐照;(b)脉冲激光鄄鄄电子束双束同时辐照 Fig. 5 Amount of Cr and Ni segregation near grain boundary under different irradiations: (a) electron irradiation; (b) simultaneous pulsed鄄laser and electron dual鄄beam irradiation (b)同时辐照条件下,激光辐照引入空位速率约 为 7郾 4 伊 10 - 7 s - 1[29] ,远小于电子辐照的 2郾 0 伊 10 - 3 s - 1 ,因此,稳定阶段可以忽略激光鄄鄄电子束同时辐照中 激光辐照引入空位速率,认为两种辐照条件下 Gdpa 相等. 依据式(2)计算可得: WVDZ,L + e - / WVDZ,e - = [(DV CV ) L + e - / (DV CV ) e - ] 1 / 2 , (DV CV ) L + e - / (DV CV ) e - = 45郾 7% . 空位向晶界扩散的扩散通量越低,偏析程度越小. 同时 辐 照 条 件 下 空 位 扩 散 通 量 为 电 子 束 辐 照 的 45郾 7% ,与两种辐照条件下 Cr 偏析量的比值 51郾 9% 比 较接近,空位扩散通量的降低抑制了 Cr 偏析. 而两种 辐照条件下 Ni 偏析量的比值为 36郾 9% ,小于 45郾 7% . 这是由于 Ni 的偏析也受间隙原子扩散的影响,而再结 合度的提高同样会降低间隙原子的扩散通量,因此同 时辐照对 Ni 偏析的抑制效果更明显. 与此同时,这一 计算结果也很好的解释了同时辐照对肿胀的抑制效 果. 与电子辐照相比,同时辐照下空位向晶界扩散的 扩散通量减小,表明同样作为尾闾的空洞吸收空位数 量也有所减少,进而造成空洞长大速率降低,肿胀率 减小. 3 结论 (1)电子束辐照及脉冲激光鄄鄄 电子束同时辐照后 自由晶界处无空洞区域的宽度分别为 71 依 27 nm 和 48 依 16 nm;同时辐照下,空位与间隙原子再结合度提高, 限制了空位向晶界扩散,晶界处空位聚集形成空洞几 率增加,WVDZ减小. (2)电子束辐照下晶界处 Cr 和 Ni 的偏析量分别 为 - 10郾 2% 和 + 22郾 5 % ,而同时辐照下为 - 5郾 4% 和 + 8郾 3% ;电子辐照下 WRIS约 55 nm,而同时辐照下仅 25 nm 左右. 不论在偏析程度还是宽度上,同时辐照条件 下 Cr 和 Ni 的偏析都小于对应的电子束辐照,同时辐 照会限制空位向晶界扩散. (3)同时辐照下空位向晶界扩散的扩散通量仅为 电子辐照的 45郾 7% ;与电子辐照相比,同时辐照提高 了空位与间隙原子再结合度,降低了空位扩散通量,流 入尾闾中的空位数量减少,进而极大抑制了辐照偏析 与肿胀. 脉冲激光鄄鄄 电子束双束同时辐照可为探索抑 制肿胀方法提供新的思路. 致谢 感谢北海道大学工学部渡边精一教授、柴山环树 教授和北京科技大学冶金与生态工程学院张婧博士在 实验和数据分析方面的有益讨论;感谢北海道大学工 学部于睿譞博士、类延华博士、超高压电子显微镜室大 久保贤二先生、谷冈隆志先生和大多亮先生在辐照实 验方面给予的帮助;感谢中国石油大学(北京)能源材 料微结构实验室杨峰老师、刘颖老师在透射电子显微 镜表征方面提供的帮助. 参 考 文 献 [1] Yvon P, Carr佴 F. Structural materials challenges for advanced re鄄 actor systems. J Nucl Mater, 2009, 385(2): 217 [2] Yang C, Fang C, Tong J J. Necessity of developing nuclear ener鄄 gy in China. Nucl Pow Eng, 2014, 35(Suppl 1): 200 (杨辰, 房超, 童节娟. 中国发展核能的必要性. 核动力工程, 2014, 35(增刊 1): 200) [3] Zinkle S J, Was G S. Materials challenges in nuclear energy. Acta Mater, 2013, 61(3): 735 [4] Huang H F, Li J J, Liu R D, et al. Temperature effect of Xe ion irradiation to 316 austenitic stainless steel. Acta Metall Sin, 2014 50(10): 1189 (黄鹤飞, 李健健, 刘仁多, 等. 316 奥氏体不锈钢离子辐照 损伤中的温度效应研究. 金属学报, 2014, 50(10): 1189) [5] Zinkle S J, Ghoniem N M. Prospects for accelerated development of high performance structural materials. J Nucl Mater, 2011, 417 (1): 2 [6] Garner F A, Toloczko M B, Sencer B H. Comparison of swelling and irradiation creep behavior of fcc鄄austenitic and bcc鄄ferritic / martensitic alloys at high neutron exposure. J Nucl Mater, 2000, ·907·