李 婷，陸道綱，＊，錢 昕，趙子強(qiáng)，張艷文

（1.華北電力大學(xué) 核科學(xué)與工程學(xué)院，北京 102206；2.北京大學(xué) 物理學(xué)院，北京 100871）

超臨界水冷反應(yīng)堆由于在經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)成熟性、可持續(xù)性等方面有特殊的優(yōu)勢，被選為值得研發(fā)的最有前景的第四代候選系統(tǒng)［1］。由于其反應(yīng)堆堆芯出口壓力為25 MPa、溫度為500 ℃以上［1］，鋯合金已不能滿足其包殼材料的要求。因此，世界各國開展了對(duì)其他材料的研究，主要包括F／M 鋼、鎳基合金、ODS化合金、奧氏體不銹鋼［2］。其中，我國將鎳基合金C276作為超臨界水堆包殼的候選材料之一。

國內(nèi)外有關(guān)C276 的研究［3-7］主要集中于焊接和耐腐蝕性能方面，有關(guān)力學(xué)性能及相應(yīng)顯微組織的研究［8-10］不多，有關(guān)抗輻照性能的研究未見報(bào)道。因此，本文選取質(zhì)子及多束粒子輻照前后的試樣作為樣品，利用納米硬度儀觀測其納米硬度，利用拉曼譜儀對(duì)其進(jìn)行拉曼光譜測試，討論C276 合金在質(zhì)子及多束粒子下的輻照硬化現(xiàn)象。

1 材料與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)所用材料為德國 ThyseenKrupp VDM 公司生產(chǎn)的商用C276，化學(xué)成分及其質(zhì)量 分 數(shù) 為：Ni，58.35%；Cr，16.01%；Fe，5.41%；C，0.005%；Mn，0.29%；Si，0.05%；Mo，16.03%；W，3.23%；Co，0.07%；V，0.17%；P，0.005%；Cu，0.10%；S，0.002%。試樣經(jīng)熱扎后固溶處理，固溶處理的條件為1 170 ℃保溫0.7h、水冷。組織為奧氏體。

1.2 輻照試驗(yàn)

首先利用北京大學(xué)2×6 MeV 串列加速器產(chǎn)生21 MeV 的Si4+重離子預(yù)輻照。其中，輻照損傷水平為2dpa（dpa為每個(gè)原子的離位次數(shù)），劑量為2.8×1019m-2。然后利用北京大學(xué)4.5 MeV 靜電加速器產(chǎn)生2.2 MeV 的He離子，He的累積速率為11×10-6dpa-1，劑量為1.43×1018m-2。最后利用北京大學(xué)重離子研究所4.5MeV 靜電加速器產(chǎn)生3MeV 的H離子，輻照損傷水平為1dpa，劑量為3.49×1022m-2。最終得到Si+He+H、He+H、He和H 4種輻照條件下的樣品。其中，質(zhì)子的束斑面積為3.14×10-4m2，平均束流強(qiáng)度為8.7μA，輻照時(shí)間為80h。

1.3 抗輻照性能測試

用Tribo Indenter型北京大學(xué)工學(xué)院原位納米力學(xué)測試系統(tǒng)沿離子射程方向?qū)悠穫?cè)面進(jìn)行納米壓痕準(zhǔn)靜態(tài)測試，對(duì)C276 合金的輻照硬化現(xiàn)象進(jìn)行分析。選用金剛石壓頭（三棱錐形），載荷為4mN，最大壓入深度為20μm，并在最大壓入深度處保載10s以消除蠕變對(duì)材料硬度的影響，C276合金的泊松比取0.25。該硬度儀利用原位成像提供納米級(jí)精度定位和SPM 拓?fù)涑上瘢灰品直媛蔬_(dá)0.04nm，同時(shí)步進(jìn)式樣品定位精度達(dá)亞微米尺度。利用原子力顯微鏡圖像找到樣品邊界后，沿直線每隔2μm打20個(gè)點(diǎn)，再每隔50μm 打4個(gè)點(diǎn)。

接著用北京大學(xué)化學(xué)學(xué)院拉曼光譜系統(tǒng)（型號(hào)：L2BRAM ARAMIS，532和325nm 激光器）對(duì)樣品進(jìn)行拉曼光譜測量，通過測定拉曼光譜的位置和強(qiáng)度鑒定試樣的分子結(jié)構(gòu)。繪制輻照樣品與未輻照樣品的拉曼光譜，并進(jìn)行比對(duì)，對(duì)C276 合金的輻照偏析進(jìn)行初步分析。最后分析拉曼峰位置和強(qiáng)度隨深度的變化規(guī)律，找出輻照損傷峰對(duì)應(yīng)的深度。

2 結(jié)果與討論

2.1 輻照硬化

圖1為Trim 程序模擬計(jì)算的離子損傷的分布，He離子損傷峰在3.5μm 處，H 離子損傷峰在35.0μm 處。圖2為C276合金輻照后納米硬度隨深度的變化。由圖2可知，輻照損傷區(qū)域的納米硬度明顯高于未輻照損傷區(qū)域的，C276合金發(fā)生了輻照硬化現(xiàn)象。三束條件下樣品的硬度大于雙束及單束條件下的，雙束條件下樣品的硬度大于單束條件下的。在H或He的單束輻照條件下，硬度峰對(duì)應(yīng)的深度與模擬計(jì)算的dpa損傷峰對(duì)應(yīng)的深度吻合。

圖1 Trim 程序模擬計(jì)算的離子損傷的分布Fig.1 Damage distribution from ions irradiation simulated with Trim program

圖2 C276合金輻照后樣品的納米硬度隨深度的變化Fig.2 Nano-hardness results of C276alloy gained from experiments

C276合金在H 輻照下樣品的明場像如圖3所示。由圖3可知，輻照損傷區(qū)域出現(xiàn)較多位錯(cuò)環(huán)和運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)相交。由以往研究可知，若較多位錯(cuò)環(huán)和運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)相交，則滑移面上的位錯(cuò)將會(huì)受到阻力而難運(yùn)動(dòng)，從而提高損傷處的硬度。

圖3 C276合金H 輻照樣品的明場Fig.3 Bright field TEM micrograph of C276irradiated by H ions

2.2 輻照偏析

輻照硬化與合金受輻照時(shí)的元素偏析有關(guān)，因此，利用拉曼光譜分析C276不同輻照情況下的元素析出狀況，圖4 為C276 合金輻照前后的拉曼光譜測量結(jié)果。從圖4可看出，原始樣品的拉曼信號(hào)無任何分子振動(dòng)的信息，輻照條件下出現(xiàn)了碳的拉曼振動(dòng)峰，表明合金經(jīng)輻照會(huì)產(chǎn)生C偏析。圖5a為C276合金在He輻照條件下碳峰的相對(duì)強(qiáng)度隨深度的變化曲線。可看出，在3.5μm 深度附近，碳峰的相對(duì)強(qiáng)度較大。圖5b為C276合金在H 輻照條件下碳峰的相對(duì)強(qiáng)度隨深度的變化曲線。可看出，在35.0μm 深度附近，碳峰的相對(duì)強(qiáng)度較大。由于損傷峰處的原子移位較多，碳原子有較多的幾率重新組合為無定形碳，自由的碳原子在缺陷處聚集，這些碳原子結(jié)合形成無定形碳使得碳峰的相對(duì)強(qiáng)度更大。

圖4 C276合金輻照前后樣品表面的拉曼光譜Fig.4 Raman spectra of C276samples surface before and after irradiation

圖5 C276合金在He（a）、H（b）輻照條件下碳峰的相對(duì)強(qiáng)度隨深度的變化Fig.5 Relative intensity of carbon peak at different depths irradiated by He（a）and H （b）ions

圖6為H 輻照下C276合金不同深度處的拉曼峰的變化。可看出，在35.0μm深度處的C 峰相比其他深度的C 峰有明顯的紅移。同時(shí)，在He輻照下，C276合金在3.5μm 深度處的C峰相比其他深度的C 峰也有明顯的紅移。這可能是由于損傷峰的位置產(chǎn)生較多的缺陷，引起晶體內(nèi)部壓力等物理環(huán)境的變化，使測量得到的C峰發(fā)生紅移。

圖6 H 輻照下C276合金不同深度處的拉曼光譜Fig.6 Raman spectra obtained from different depths irradiated by H ions

3 結(jié)論

1）在質(zhì)子及多束粒子輻照下，由于輻照損傷區(qū)域發(fā)生C偏析和位錯(cuò)環(huán)硬化，C276合金發(fā)生了輻照硬化現(xiàn)象。

2）在H 和He的單束輻照條件下，試驗(yàn)得到的損傷峰對(duì)應(yīng)的深度與模擬計(jì)算dpa損傷峰對(duì)應(yīng)的深度吻合。

3）在H 單束輻照條件下，在35.0μm 深度處，原子移位較多，引起拉曼光譜中的碳峰相對(duì)強(qiáng)度較大，同時(shí)產(chǎn)生了較多的缺陷，引起碳峰紅移。兩者共同引起此處的納米硬度較其他深度處的高。

4）在He單束輻照條件下，在3.5μm 深度處，原子移位較多，引起拉曼光譜中的碳峰相對(duì)強(qiáng)度較大，同時(shí)產(chǎn)生了較多的缺陷，引起碳峰紅移。兩者共同引起此處的納米硬度較其他深度處的高。

綜上可知，C276合金在質(zhì)子及多束粒子下的輻照硬化是輻照偏析及可能的位錯(cuò)環(huán)硬化綜合作用的結(jié)果。

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