选区激光熔化成形316L不锈钢的离子辐照损伤效应研究

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发展核能是我国当前重要的能源战略选择,先进核能材料是核能安全发展的基础。金属增材制造为复杂精密核电装备设计及制造提供了新的解决思路,然而其工艺与传统制造技术存在较大差异,将导致材料微观结构、抗辐照性能等诸多方面材料性质的变化。目前,针对增材制造核能材料在反应堆工况下的辐照损伤研究尚未引起广泛关注。为保证这类金属材料在服役工况下的安全性与稳定性,亟需针对其辐照效应及物理机制进行深入的研究与评估。本文以选区激光熔化成形316L不锈钢为研究对象,针对氦、铁离子的损伤效应展开研究,主要结论如下:(1)采用选区激光熔化技术制备了316L不锈钢,对材料的微观结构、力学以及耐腐蚀性能进行了表征分析。实验表明,成形材料内部分布着平均尺寸为380 nm,由位错包覆的胞状亚晶。此外,样品中存在体积分数约5%的非晶纳米氧化物,平均尺寸及密度分别为60 nm,4.2×1020m-3,上述结构形成了该材料中特殊的微纳界面结构;纳米压痕硬度测试结果为2.6 GPa,自腐蚀电位及电流密度分别为-0.284 V和0.80μA/cm2,材料硬度提升且具备较优异的耐腐蚀性能。(2)针对氦离子辐照后选区激光熔化成形316L不锈钢,结合TEM、纳米压痕等方法探究了辐照温度、浓度对于材料中微纳界面结构稳定性、氦泡分布及辐照硬化行为的影响机制。实验发现,氦辐照后,微纳界面结构保持稳定。室温/6.72%氦辐照下,观察到尺寸小于1 nm的氦泡。450°C/0.8%和450°C/4.8%氦辐照下氦泡平均尺寸分别为1.4 nm,3.2 nm。该结果表明辐照温度升高、剂量增大有利于氦泡形核及长大;此外,450°C/0.8%氦辐照时,选区激光熔化成形316L不锈钢材料中氦泡密度及硬化程度较相同辐照条件下传统不锈钢下降,且胞状亚晶界处氦泡密度升高,非晶纳米颗粒与基体形成界面处氦泡尺寸增大,表明微纳界面结构是捕获氦泡的有利位点,能够起到良好的界面自修复作用,降低氦泡的密度、肿胀率以及材料的硬化程度。(3)针对铁离子辐照后选区激光熔化成形316L不锈钢,通过多种测试方法探究了辐照温度、剂量对于材料微观结构、力学性能以及耐腐蚀性能的影响规律。研究结果表明,室温/1 dpa、450°C/1 dpa铁离子辐照后胞状亚晶以及非晶纳米析出相结构保持稳定。且450°C辐照时,位错环尺寸增大,密度下降;辐致缺陷导致晶格畸变,(111)峰位2θ减小;随着辐照剂量增大、温度减小,材料出现辐照硬化程度升高、耐腐蚀性能下降的现象,且在RT/10 dpa辐照时性能变化最为明显,该结果与不同辐照条件下缺陷的数量、尺寸等差异相关。本文围绕选区激光熔化成形316L不锈钢的抗辐照损伤性能进行了研究,为增材制造核电装备的辐照损伤效应评估提供了实验参考,具有重要的意义和实际价值。
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