掺杂合金元素法抑制金属中氦脆的研究进展
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ｓＣ复合材料 等 。 ｉ ｊ
在材 料改性 方面 ， 人们发 展 了以 下几 种 改善 材料 中氦行 为和抑制 氦脆 的方法 ， 热 机械 处理 ＿、 加工［ 、 如 ５冷 ］ ６ 引入 沉淀 ］ 及夹杂 、 氧化物粒子弥散强化ｌ等。前 ２ ８ 种方法主要是通 过 预应变 、 和重 结 晶 等增 加 基体 内的 位错 环 密度 、 时效 细化
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离子 的数量 和深度 ， 半 导体产 业和 大 规模 集成 电路 的发 展 对 曾起 到很大 推动作 用 口 。由 于用 熔 炼 法 不易 实 现 铝 中碳 元
素 的掺 杂 ， 者ｌ 笔 ２ 离 子 注 入 技 术 在 铝 中掺 杂 碳 取 得 了成 用 功， 为难 以用熔 炼法 掺杂来 研究 合金 元 素对 金属 中氦 行为 影 响 的研 究提供 了一 条新 的思 路 。离 子 注 入技 术 的局 限性 在 于离子 注入 的深度 有 限 ， 只能在 表 面 附近 进行 元 素掺 杂 。此 外， 离子 注入会 使 材料 内部 产 生级 联 损 伤 ， 响 金属 中 的氦 影
高其 抗氦脆 能力 。奥 氏体不 锈钢 广泛应 用 于裂 变反应 堆 中 ，
令人瞩 目的重要进 展 。由美 国、 盟 、 罗斯 、 ｔ 、 国 、 欧 俄 Ｅ本 中 印 度 、 国等参加 的 国际热 核实验 堆 （ＴＥ 已在法 国建 造 ， 韩 Ｉ Ｒ） 预
计几年后 即将完成 。同时 ， 四代 核 反应堆 系统 也 已开 始概 第 念设计 ＿ 。在聚变 堆 中 ， １ ］ 获得 聚 变能 唯 一可 行 的办 法 就是 将 一定量 的氘 、 气体 加 热 到上 亿摄 氏度 ， 其 成 为 等离 子 氚 使
ＸＩ ＡＮＧ ｎ，ＬＩ Ｋｅ ｈ ｏ，ＣＨ ＥＮ ａ ｇ’ ｎ Ｘｉ Ｕ ｚ ａ Ｃｈ ｎ ａ
（ ｉ ａ Ａｃ ｄ ｍｙ ｏ ｇ ｎ ｅ ｉｇ Ｐ ｙ ｉｓ Ｍｉ ｎ ａ ｇ ６ １ ０ ） Ｃｈ ｎ ａ ｅ ｆＥｎ ｉｅ ｒｎ ｈ ｓｃ ， ａ ｙ ｎ ２ ９ ０
入弥 散分布 的第二 相 粒子 ， 增加 基 体 内 氦泡 的 形核 中心 ， 减
掺 杂合金 元素 法抑 制金属 中氦脆 的研 究进展 ／ 向 鑫等
少晶界 的 Ｈｅ 原子 数 ， 阻止 晶界 大氦泡 的形 成 ， 因而 减轻 了材
・ ３・ ４
２ ３ 离 子注 入 ．
离子 注入是 一种表 面精 细掺 杂技 术 ， 以精 确 控 制注 入 可
ｎ ｕ ｒ ｎ ｉ ａ ｉｔｏ ｅ ｔｏ ｒ ｄａ ｉｎ，ｒｓ ｌｎ ｅｄ ｇａ ａｉｎｏ ｔｂｌ ｙａ ｄｓ ｆｔ ｕ ｌａ ａ ｉｔ ｓ ｒ ｅ ｕｔ ｇｉ ｔ ｅ ｒｄ ｔ ｆｓａ ｉｔ ｎ ａｅｙｉ ｎ ｃｅｒｆｃｌ ｉ ．Ｔｈ ｓ ｔｉ ｎ ｃｓａ ｙｔ ｉ ｎ ｈ ｏ ｉ ｎ ｉｅ ｕ ，ｉ ｓ ｅｅ ｓ ｒ ｉ ｏ ｍ—
素在金属 中氦行 为角色的 因素。
关 键 词 氦脆抑制 掺杂合金元素法 影响因素
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ Ｐｒ ｇ ｅ ｓ ｏ ｅ ｉ ｍ ｓ ａ ｃ ｏ ｒ ｓ ｆＨ ｌｕ Ｅｍ ｂ ｉｔｅ ｎｔＲｅ ｉｔ ｎ ｅ ｉ ｒ ｔｌ ｍｅ ｓ ｓ ａ ｃ ｎ Ｍ ｅ ａ ｓ ｂ ｐ ｎｇ Ａｌｏ ｉ ｅ ｅ ｓ Ｍ ｅ ｈ ｄ ｔ ｌ ｙ Ｄｏ ｉ ｌ ｙ ｎｇ Ｅｌｍ ｎｔ ｔ ｏ
行 为特 征 。 。
１ 掺 杂 合 金 元 素 法 抑 制 氦 脆 的最 新 进 展
早在 ２ 世纪 六七 十年代 人们 就 已注 意 到合 金 元 素对 金 Ｏ 属 中的氦效应 起作 用ｌ ＿ １ 。随后 ， 们开 始有 意识地 在 金 属 中 人 掺杂合 金元 素 ， 究其 对辐 照金 属 的氦 行 为 、 探 微结 构 演 化 、 力
体， 并无 规 则 地相 互 碰 撞 。然 而 ， 氚反 应 产 生 的 １Ｍｅ 氘一 ４ Ｖ 中子 、． Ｍｅ Ｈｅ 电磁 辐射 、 电的或 中性粒 子直 接作 用 ３ ５ Ｖ 、 带 在第 一壁表 面 ， 造成 对 第 一壁 的 能量 沉 积 、 中子 辐照 损 伤及 其它 等离子体与 壁相互作 用过 程口 。尤 其 引人 注 目的是 ， ］ 聚 变产 生的 Ｈｅ和（ ， ） （ ， ） ｎ ａ 、 ｎ ｐ 嬗变 产 生 的 Ｈｅ 易在 材 料表 极
Ａｂ ｔａ ｔ ｓｒｃ Ｓ ｒ ｃ ｕ ａ ｔ ｒ ｌ ｎ ｆ ｓｏ ｅ ｃ ｏ ｒ ａ ｉ ｍｂ ｉ ｌｄ ｂ ｔ ｍｓｐ ｏ ｕ ｅ ｒ ｍ ａ ｔ ｌｓａ ｄ ｔｕ ｔ ｒ Ｉ ｍａ ｅ ｉ ｓ ｉ ｕ ｉ ｎ ｒ ａ ｔ ｒａ ｅ ｅ ｓｌ ｅ ｒｔ ｅ ｙ Ｈｅ ａ ｏ ｒ ｄ ｃ ｄ ｆｏ ａ ｐ ｒ ｉ ｅ ｎ ａ ｙ ｔ ｃ
学性 能 等 的影 响 “ 。结 果发 现 ， ］ 掺杂 的合 金元素 大 多能 与 基 体原 子形成 能捕 获 Ｈｅ 能Baidu Nhomakorabea迟 滞氦 泡 迁 移 的沉 淀 相 ， 而 且 从 在一定程 度上 抑制 了氦脆 现象 。９ Ｏ年代 ， 金元 素在 氦行 为 合 中的角色 及其 与氦脆 抑制 关 系的研 究 更加 细 化和 系 统化 ， 合 金 元素 的掺杂 浓度 、 子 占位 等 因素 与金 属 中氦 行 为 的关 系 原
ｄ ｒ ｔ ｎ ｉ ｏ ｉｇ ａｌ ｙ ｎ ｌｍｅ ｔ ，ａ ｄ ｓ ｍｅｔ ｅ ｍａ ｒ ａ ｍｅ ｔｓ ｏ ｌ ｌｏ ｂ ｕ ｐ ｅ ｎ ｅ ．Ｔｈ ｅ ｅ ｒ ｈ ｐ ｏ ｒ ｓ ｅ ａ ｉ ｎ ｄ ｐ ｎ ｌ ｉ ｇ ｅ ｅ ｎ ｓ ｎ ｏ ｈ ｒ ｌ ｅ ｔ ｎ ｈ ｕ ｄ ａ ｓ ｅ ｓ ｐ ｌｍｅ ｔ ｄ ｏ ｏ ｔ ｅｒ ｓ ａ ｃ ｒ ｇ ｅ ｓ
晶粒 或沉淀相 来增加 氦泡形 核 中心 ， 从而 在一定 程 度上 达到
层聚集形 成氦泡 ， 最终使 材料 的力学 性能 降低 ， 如强度 下 降 、
塑性损失 、 可压 缩性降低 等 ， 即氦脆 。例 如 ， ０ Ｖ 子辐 ５ Ｍｅ ａ粒 照后 ， ８ Ｈ 钢的塑性一 性转变 温度升高 了约 ７ ＾ 并 在 Ｈｅ Ｆ２ 脆 ＯＣ， 注入 区观察 到晶 间脆 性 断裂 ， 在非 Ｈｅ注入 区仅 观 察 到塑 而
因此必须提 高材料 的抗 氦脆能力 。添加合金元素法是一种有 效抑制金属 中氦脆的方法。然 而， 合金元 素对金属 中的
氦脆抑制效果受到原子 占位情况 、 原子尺寸大小、 浓度、 温度等 因素影响。因此 ， 杂合金元 素时必须考虑合金 元素 掺
的种 类 和 含 量 ， 辅 以一 定的 热 处 理 。 回顾 了掺 杂 合 金 元 素 法 抑 制 金 属 中 氦脆 的 研 究进 展 ， 并 简要 分析 了影 响 合 金 元
性 断裂 。
＊国家 自然 科 学 基金 项 目（０ ７０ ７ ５６１１）
向鑫 ： ，９ ２ 生 ， 士 男 １８ 年 硕 Ｅ ｍ ｉ ｘ ｎ ｚｕ １ ３ ｃｒ － ａｌ ｉ ｇｊ＠ ６ ．ｏ ：ａ ｎ
抑制氦脆 的目的 ］ 。相比之下， ２ 后 种方法能显著改善材
料 的 Ｈｅ 辐照损 伤 ］ 一 。它们 的共 同点 为 ， 通过 某种 手 段引
经 过半个多 世纪 的不 懈努力 ， 聚变能 的可 控释 放 已取得
氦脆 的产生 不仅 使 材料 性 能 降低 、 命缩 短 ， 至 会带 寿 甚 来 灾难性 的后果 。因此 ， 寻求 抑 制 氦脆 效 应 的方 法 ， 论在 无 经济上还是 实际 应 用方 面 都具 有 重 要 意义 。可 以从 ２个方 面着手 ， 一是 开发抗氦 脆材料 ， 是对 现有 材料 进行 改性 ， 二 提
ｒ ｌ ｆ ｌ ｙｎ ｌｍｅ ｔ ｎ ｈ ｌ ｍ ｅ ａ ｉ ｒ ｎ ｍｅ ａｓ ａ ｅ ａｓ ｉ ｌ ｎ ｌ ｚ ｄ ｏ ｅｏ ｌ ｉ ｇ ｅ ｅ ｎ ｓ ｉ ｅ ｉ ｂ ｈ ｖ ｏ ｓｉ ｔ ｌ ｒ ｌｏ ｓｍｐ ｙ ａ ａ ｙ ｅ ． ａｏ ｕ
Ｋｅ ｏ ｄ ｙｗ ｒ ｓ
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０ 引言
但这 种钢在第 一 壁和 增 殖包 层 甚至 托 卡 马克 中 的应 用存 在
很多限制， 如屈服强度低 、 不能抗辐照肿胀等。因此， 人们陆 续开发 了一些 既有 良好 抗辐 照性 能 ， 又有较 好高 温力 学性 能
的结构 材料 ， 降 低 活性 的铁 素体 ／ 氏体 钢 、 合 金 、ｉ／ 如 马 钒 ｓｃ
料的 氦脆效应 。而 且 ， 它们 均 可 通 过 合 金 化 ， 杂合 金 元 素 掺
来 实现 口 。尽 管 已有 大 量 关 于 辐 照 损 伤 与 杂质 掺 杂 有 关 的 ］ 报道 ＿ ， ｇ 然而 ， 合金 元 素 在 材 料 氦 行 为 及 微 观结 构 演 化 中角 色的研 究还 不充分 ｌ ］ ＿ １ 。本 文 介 绍 了掺杂 合 金 元 素法 抑 制 “ 金属 中氦脆 的最新进 展 和方 法 ， 并分 析 了合 金元 素 在 金属 氦 行 为 中的角 色 。
・４ ・ ２
材料 导报 ： 综述篇
２１ ００年 ２月（ ） ２ 第 ２期 上 第 ４卷
掺 杂 合金 元素 法抑 制金属 中氦脆 的研 究进展
向 鑫 ， 刘柯 钊 ， 长安 陈
（ 国工 程 物 理 研究 院 ， 阳 ６ １０ ） 中 绵 ２ ９０
摘要
聚变堆结构材料极 易因ａ粒子和 中子辐照 引入大量的 Ｈｅ 原子而脆化 ， 降低核设施 的稳定性和安全性 ，
在材 料改性 方面 ， 人们发 展 了以 下几 种 改善 材料 中氦行 为和抑制 氦脆 的方法 ， 热 机械 处理 ＿、 加工［ 、 如 ５冷 ］ ６ 引入 沉淀 ］ 及夹杂 、 氧化物粒子弥散强化ｌ等。前 ２ ８ 种方法主要是通 过 预应变 、 和重 结 晶 等增 加 基体 内的 位错 环 密度 、 时效 细化
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素在金属 中氦行 为角色的 因素。
关 键 词 氦脆抑制 掺杂合金元素法 影响因素
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行 为特 征 。 。
１ 掺 杂 合 金 元 素 法 抑 制 氦 脆 的最 新 进 展
早在 ２ 世纪 六七 十年代 人们 就 已注 意 到合 金 元 素对 金 Ｏ 属 中的氦效应 起作 用ｌ ＿ １ 。随后 ， 们开 始有 意识地 在 金 属 中 人 掺杂合 金元 素 ， 究其 对辐 照金 属 的氦 行 为 、 探 微结 构 演 化 、 力
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塑性损失 、 可压 缩性降低 等 ， 即氦脆 。例 如 ， ０ Ｖ 子辐 ５ Ｍｅ ａ粒 照后 ， ８ Ｈ 钢的塑性一 性转变 温度升高 了约 ７ ＾ 并 在 Ｈｅ Ｆ２ 脆 ＯＣ， 注入 区观察 到晶 间脆 性 断裂 ， 在非 Ｈｅ注入 区仅 观 察 到塑 而
因此必须提 高材料 的抗 氦脆能力 。添加合金元素法是一种有 效抑制金属 中氦脆的方法。然 而， 合金元 素对金属 中的
氦脆抑制效果受到原子 占位情况 、 原子尺寸大小、 浓度、 温度等 因素影响。因此 ， 杂合金元 素时必须考虑合金 元素 掺
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性 断裂 。
＊国家 自然 科 学 基金 项 目（０ ７０ ７ ５６１１）
向鑫 ： ，９ ２ 生 ， 士 男 １８ 年 硕 Ｅ ｍ ｉ ｘ ｎ ｚｕ １ ３ ｃｒ － ａｌ ｉ ｇｊ＠ ６ ．ｏ ：ａ ｎ
抑制氦脆 的目的 ］ 。相比之下， ２ 后 种方法能显著改善材
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ｒ ｌ ｆ ｌ ｙｎ ｌｍｅ ｔ ｎ ｈ ｌ ｍ ｅ ａ ｉ ｒ ｎ ｍｅ ａｓ ａ ｅ ａｓ ｉ ｌ ｎ ｌ ｚ ｄ ｏ ｅｏ ｌ ｉ ｇ ｅ ｅ ｎ ｓ ｉ ｅ ｉ ｂ ｈ ｖ ｏ ｓｉ ｔ ｌ ｒ ｌｏ ｓｍｐ ｙ ａ ａ ｙ ｅ ． ａｏ ｕ
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０ 引言
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很多限制， 如屈服强度低 、 不能抗辐照肿胀等。因此， 人们陆 续开发 了一些 既有 良好 抗辐 照性 能 ， 又有较 好高 温力 学性 能
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・４ ・ ２
材料 导报 ： 综述篇
２１ ００年 ２月（ ） ２ 第 ２期 上 第 ４卷
掺 杂 合金 元素 法抑 制金属 中氦脆 的研 究进展
向 鑫 ， 刘柯 钊 ， 长安 陈
（ 国工 程 物 理 研究 院 ， 阳 ６ １０ ） 中 绵 ２ ９０
摘要
聚变堆结构材料极 易因ａ粒子和 中子辐照 引入大量的 Ｈｅ 原子而脆化 ， 降低核设施 的稳定性和安全性 ，