杜晨曦等：铁基非品合金的辐照性能 ·1373· 性能和低活性的特点而被广泛研究，使得铁基非晶合 辐照后电阻率也有增加，原因可能是由于辐照后一系 金可作为抗辐照材料使用].在辐照条件下，对于传 列密度波动的增加导致的，由于成分的波动与密度的 统晶体材料来说，辐照粒子与晶格缺陷的强烈作用会 波动相关，辐照后会产生两个成分和密度不同的区域， 导致位移损伤和微观结构变化，进而影响材料的性 这可能是调幅分解引起的相分离【18] 能[02]；对于铁基非晶合金，辐照也会影响非晶合金 Fea9.7Cr7.Mn1.Mo7.4 W1.6B1s.2C3.sSi2.(SAM2X5) 的微观结构和性能，且依赖于非晶合金的成分以及辐 晶合金具有极高的强度，其耐腐蚀性能远高于不锈钢， 照粒子的类型、能量和注量[3-] 与镍基合金相当甚至更优，并且由于硼含量高而具有 最近几十年，核能的快速发展，对材料的抗辐照性 较好的中子吸收作用2).SAM2X5在反应堆内进行了 能也提出了更高的要求.由于核电产生的乏燃料越来 4.3×103~2.6×104cm2注量的中子辐照后，材料仍 越多，乏燃料的安全处理也是国际上噬待解决的重要 没有发生明显的辐照损伤和不利的相变，因而具有优 问题.铁基非晶合金优异的性能，使得铁基非晶合金 异的抗中子辐照性能].由于优异的中子吸收性能、 辐照性能的研究越来越受关注.目前，铁基非晶品合金 中子吸收截面是含硼不锈钢的3~4倍、在高中子注量 的辐照研究主要关注结构和性能的变化，以及通过辐 辐照下材料的稳定性、在玻璃转变温度以下仍具有很 照优化铁基非晶合金的性能.然而，辐照影响铁基非 好的耐腐蚀性能[)、以及低廉的材料成本，SAM2X5 晶合金结构和性能的机理研究还不够深入，也未达成 非晶合金在乏燃料安全长期储存方面具有广泛的应用 统一的认识，辐照对铁基非晶合金宏观性能的影响的 前景[2] 研究还处于起步阶段，还需要开展大量的研究工作. 通过中子辐照研究铁基非晶合金的中子辐照性能 本文综述了铁基非晶合金的中子辐照、离子辐照和电 是直接和有效的，但是由于中子辐照的成本太高，铁基 子辐照性能，讨论了不同辐照粒子、注量、温度与铁基非 非晶合金中子辐照的研究相对较少，对铁基非晶合金 晶合金结构和性能的关系，对研究铁基非晶合金的辐照 辐照性能的研究也不够系统和深入，因此，需要寻求有 性能以及开发高性能铁基非晶合金具有重要的意义. 效的替代方法以研究铁基非晶合金的中子辐照性能. 1铁基非晶合金辐照性能 1.2铁基非晶合金重离子辐照性能 重离子辐照下可导致晶态的非晶化0，也可导致 1.1铁基非晶合金中子辐照性能 非晶态向纳米晶态的转变，并且辐照时的温度远低于 铁基非晶合金中子辐照的研究很早就开展起来 晶化温度.在目标材料中控制缺陷、结构无序、应力和 了.早期主要研究中子辐照对铁基非晶合金材料的力 相变的产生，用来改善材料的性能，重离子辐照被认为 学、磁学、电学等性能的影响6-]：近期研究主要关注 是一种独特和有效的方法[31-) 中子辐照对铁基非晶合金结构变化以及磁性能的影 在早期，非晶合金的离子辐照效应的研究仅限于 响.中子辐照后由于铁基非晶合金结构的变化导致磁 非晶的各向异性生长，即铁基非晶样品沿着离子束流 导率[20]、低场交流磁化率[5,21】、居里温度[2-2]、自发磁 方向尺寸萎缩，垂直于离子束流方向尺寸长大[-]. 化强度的温度依赖性和磁滞回线参数等磁性能的改 这种现象也被称为“离子锤击”[6-].Fen.Si,Nb,Z 变[].FenNi4Cr,Mo,SisB,非晶合金快中子辐照后非 B,和FezCr2sAl,非晶合金Xe离子辐照后发生了离子 晶结构和化学的变化导致居里温度和自旋刚度常数的 锤击现象，非晶的尺寸都发生了变化，且不可逆.在1 降低[o:Fes Nis Mo,Si2B,非晶合金在快中子辐照下放 ×105cm2的注量辐照下Fem.Si,.sNb,ZrB,非晶合金 热峰的温度和超精细磁场的平均值均下降，并且磁矩 最大的变形量达2.4%.可能是非晶合金中电子能量 的平均取向发生改变而更靠近样品平面2] 损失导致了宏观尺寸的变化，入射离子形成的局部高 非晶结构有助于降低辐照损伤，但是中子辐照下 机械应力将释放剪切形变，从而电子激发和离子化可 一些物理性能的变化使得铁基非晶合金可以通过中子 能促使大量原子重排36，] 辐照优化其结构，从而改变其性能].FeNiP.,非晶 离子辐照可在金属中产生高电子激发，从而引起 合金在低温退火阶段利用中子辐照能恢复延性以改善 沿离子束流入射方向形成直径为纳米尺寸的圆柱状缺 其退火脆性]，可能是由于中子辐照时原子的重排更 陷，长度尺寸可达数十微米，也称为离子径迹.非晶合 趋于无序化以及在非晶中产生了弹性应力集中，退火 金离子辐照同样也存在离子径迹，重离子辐照后在非 后辐照引起的缺陷将恢复[).中子辐照后铁基非晶 晶合金中观察到了圆柱状缺陷[]，并且由于圆柱状缺 合金可产生铁磁到顺磁的转变，而且辐照引起非晶结 陷的产生导致磁矩趋向平行于离子束流方向[1-].Xe 构的变化将导致电阻率的改变.Fesp B2,和Fezs Mo2Bo 离子辐照可使Fen.Si.sNb,Zx,B,非晶合金的磁矩的统 非晶合金在30K下经快中子和裂变碎片辐照后电阻 计分布取向从平面取向变为垂直取向，原因可能是沿 率分别增加了4%和40%[26]，Fe-Ni-B非晶合金中子 着束流方向形成的柱状结构产生的应力引起沿束流方杜晨曦等: 铁基非晶合金的辐照性能 性能和低活性的特点而被广泛研究,使得铁基非晶合 金可作为抗辐照材料使用[7鄄鄄9] . 在辐照条件下,对于传 统晶体材料来说,辐照粒子与晶格缺陷的强烈作用会 导致位移损伤和微观结构变化,进而影响材料的性 能[10鄄鄄12] ;对于铁基非晶合金,辐照也会影响非晶合金 的微观结构和性能,且依赖于非晶合金的成分以及辐 照粒子的类型、能量和注量[13鄄鄄15] . 最近几十年,核能的快速发展,对材料的抗辐照性 能也提出了更高的要求. 由于核电产生的乏燃料越来 越多,乏燃料的安全处理也是国际上噬待解决的重要 问题. 铁基非晶合金优异的性能,使得铁基非晶合金 辐照性能的研究越来越受关注. 目前,铁基非晶合金 的辐照研究主要关注结构和性能的变化,以及通过辐 照优化铁基非晶合金的性能. 然而,辐照影响铁基非 晶合金结构和性能的机理研究还不够深入,也未达成 统一的认识,辐照对铁基非晶合金宏观性能的影响的 研究还处于起步阶段,还需要开展大量的研究工作. 本文综述了铁基非晶合金的中子辐照、离子辐照和电 子辐照性能,讨论了不同辐照粒子、注量、温度与铁基非 晶合金结构和性能的关系,对研究铁基非晶合金的辐照 性能以及开发高性能铁基非晶合金具有重要的意义. 1 铁基非晶合金辐照性能 1郾 1 铁基非晶合金中子辐照性能 铁基非晶合金中子辐照的研究很早就开展起来 了. 早期主要研究中子辐照对铁基非晶合金材料的力 学、磁学、电学等性能的影响[16鄄鄄19] ;近期研究主要关注 中子辐照对铁基非晶合金结构变化以及磁性能的影 响. 中子辐照后由于铁基非晶合金结构的变化导致磁 导率[20] 、低场交流磁化率[15,21] 、居里温度[22鄄鄄23] 、自发磁 化强度的温度依赖性和磁滞回线参数等磁性能的改 变[17] . Fe30Ni 44Cr4Mo2 Si 15B5非晶合金快中子辐照后非 晶结构和化学的变化导致居里温度和自旋刚度常数的 降低[19] ;Fe39Ni 39Mo4 Si 12B6非晶合金在快中子辐照下放 热峰的温度和超精细磁场的平均值均下降,并且磁矩 的平均取向发生改变而更靠近样品平面[24] . 非晶结构有助于降低辐照损伤,但是中子辐照下 一些物理性能的变化使得铁基非晶合金可以通过中子 辐照优化其结构,从而改变其性能[19] . Fe40Ni 40P20非晶 合金在低温退火阶段利用中子辐照能恢复延性以改善 其退火脆性[25] ,可能是由于中子辐照时原子的重排更 趋于无序化以及在非晶中产生了弹性应力集中,退火 后辐照引起的缺陷将恢复[17] . 中子辐照后铁基非晶 合金可产生铁磁到顺磁的转变,而且辐照引起非晶结 构的变化将导致电阻率的改变. Fe80 B20和 Fe78 Mo2 B20 非晶合金在 30 K 下经快中子和裂变碎片辐照后电阻 率分别增加了 4% 和 40% [26] ,Fe鄄鄄Ni鄄鄄B 非晶合金中子 辐照后电阻率也有增加,原因可能是由于辐照后一系 列密度波动的增加导致的,由于成分的波动与密度的 波动相关,辐照后会产生两个成分和密度不同的区域, 这可能是调幅分解引起的相分离[18] . Fe49郾 7Cr17郾 7Mn1郾 9Mo7郾 4W1郾 6B15郾 2C3郾 8 Si 2郾 4 (SAM2X5)非 晶合金具有极高的强度,其耐腐蚀性能远高于不锈钢, 与镍基合金相当甚至更优,并且由于硼含量高而具有 较好的中子吸收作用[27] . SAM2X5 在反应堆内进行了 4郾 3 伊 10 13 ~ 2郾 6 伊 10 14 cm - 2注量的中子辐照后,材料仍 没有发生明显的辐照损伤和不利的相变,因而具有优 异的抗中子辐照性能[28] . 由于优异的中子吸收性能、 中子吸收截面是含硼不锈钢的 3 ~ 4 倍、在高中子注量 辐照下材料的稳定性、在玻璃转变温度以下仍具有很 好的耐腐蚀性能[27] 、以及低廉的材料成本,SAM2X5 非晶合金在乏燃料安全长期储存方面具有广泛的应用 前景[29] . 通过中子辐照研究铁基非晶合金的中子辐照性能 是直接和有效的,但是由于中子辐照的成本太高,铁基 非晶合金中子辐照的研究相对较少,对铁基非晶合金 辐照性能的研究也不够系统和深入,因此,需要寻求有 效的替代方法以研究铁基非晶合金的中子辐照性能. 1郾 2 铁基非晶合金重离子辐照性能 重离子辐照下可导致晶态的非晶化[30] ,也可导致 非晶态向纳米晶态的转变,并且辐照时的温度远低于 晶化温度. 在目标材料中控制缺陷、结构无序、应力和 相变的产生,用来改善材料的性能,重离子辐照被认为 是一种独特和有效的方法[31鄄鄄32] . 在早期,非晶合金的离子辐照效应的研究仅限于 非晶的各向异性生长,即铁基非晶样品沿着离子束流 方向尺寸萎缩,垂直于离子束流方向尺寸长大[33鄄鄄35] . 这种现象也被称为“离子锤击冶 [36鄄鄄38] . Fe77郾 5 Si 9郾 5Nb3 Zr1 B9和 Fe70Cr25Al 5非晶合金 Xe 离子辐照后发生了离子 锤击现象,非晶的尺寸都发生了变化,且不可逆. 在 1 伊 10 15 cm - 2的注量辐照下 Fe77郾 5 Si 9郾 5Nb3 Zr1B9非晶合金 最大的变形量达 2郾 4% . 可能是非晶合金中电子能量 损失导致了宏观尺寸的变化,入射离子形成的局部高 机械应力将释放剪切形变,从而电子激发和离子化可 能促使大量原子重排[36,39] . 离子辐照可在金属中产生高电子激发,从而引起 沿离子束流入射方向形成直径为纳米尺寸的圆柱状缺 陷,长度尺寸可达数十微米,也称为离子径迹. 非晶合 金离子辐照同样也存在离子径迹,重离子辐照后在非 晶合金中观察到了圆柱状缺陷[40] ,并且由于圆柱状缺 陷的产生导致磁矩趋向平行于离子束流方向[41鄄鄄42] . Xe 离子辐照可使 Fe77郾 5 Si 9郾 5Nb3Zr1B9非晶合金的磁矩的统 计分布取向从平面取向变为垂直取向,原因可能是沿 着束流方向形成的柱状结构产生的应力引起沿束流方 ·1373·