工程科学学报，第39卷.第6期：903-908.2017年6月 Chinese Journal of Engineering,Vol.39,No.6:903-908,June 2017 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2017.06.013;http://journals.ustb.edu.cn 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 杨苏冰12)，杨占兵12)四，王会12) 1)北京科技大学治金与生态工程学院，北京1000832)北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京100083 区通信作者，E-mail:yangzhanbing(@usth.cd.cm 摘要利用激光-超高压电子显微镜系统在500℃对SUS316L奥氏体不锈钢进行了电子束辐照和脉冲激光-电子束双束同 时辐照（以下简称：同时辐照），通过观察和分析辐照后自由晶界处无空洞区域以及元素偏析，以电子束辐照结果为标准，对比 研究了同时辐照对空位扩散的影响.结果表明：同时辐照后的无空洞区域宽度为48±16m,小于电子辐照的71±27nm;不论 在偏析程度还是偏析宽度上，同时辐照条件下C和N的偏析都小于对应的电子束辐照：同时辐照下空位的扩散通量仅为电 子束辐照的45.7%.通过分析得出，和电子辐照相比，同时辐照促进了空位与间隙原子的再结合，限制空位向尾闾扩散，进而 造成流入尾闾的空位数量减少，极大地抑制了辐照偏析与肿胀.脉冲激光一电子束双束同时辐照可以为探索抑制肿胀方法提 供新的思路 关键词奥氏体不锈钢：脉冲激光-电子束双束同时辐照：过饱和空位：无空洞区域：辐照偏析：辐照肿胀 分类号T341 Effect of pulsed-laser and/or electron irradiation on vacancy diffusion in SUS316L austenitic stainless steel YANG Su-bing'),YANG Zhan-bing 2),WANG Hui) 1)School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Seience and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)State Key Laboratory of Advanced Metallurgy,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China XCorresponding author,E-mail:yangzhanbing@ustb.edu.en ABSTRACT Electron irradiation and simultaneous pulsed-laser and electron dual-beam irradiation were performed using laser high voltage electronic microscopy (HVEM)at 500C,and the void-denuded zone (VDZ)and radiation-induced segregation (RIS)near the random grain boundary were observed and analyzed after irradiation.Compared to electron irradiation,the effect of simultaneous pulsed-laser and electron dual-beam irradiation on vacancy diffusion was investigated.The results show that the width of VDZ after simultaneous pulsed-laser and electron dual-beam irradiation is 48+16 nm which is smaller than the VDZ width of 71+27 nm after electron irradiation.Both the magnitude and width of Cr and Ni segregation under simultaneous pulsed-laser and electron dual-beam ir- radiation are lower than those under electron irradiation.The ratio of vacancy flux of simultaneous pulsed-laser and electron dual-beam irradiation to that of electron irradiation is 45.7%.Compared to electron irradiation,the vacancy flux flowing into point defect sinks is lower owing to enhanced recombination between vacancies and interstitial spaces under simultaneous pulsed-laser and electron dual- beam irradiation.This has the effect of suppressing RIS and void swelling.Therefore,simultaneous pulsed-laser and electron dual- beam irradiation is expected to provide new insights into the suppression of void swelling. KEY WORDS austenitic stainless steel;simultaneous pulsed-laser and electron dual-beam irradiation;excess vacancies;void de- 收稿日期：2016-09-23 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51471027)：2014年钢铁冶金新技术国家重点实验室开放基金资助项目(KF14-03):中央高校基本科 研业务费
工程科学学报,第 39 卷,第 6 期:903鄄鄄908,2017 年 6 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 39, No. 6: 903鄄鄄908, June 2017 DOI: 10. 13374 / j. issn2095鄄鄄9389. 2017. 06. 013; http: / / journals. ustb. edu. cn 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 杨苏冰1,2) , 杨占兵1,2) 苣 , 王 会1,2) 1) 北京科技大学冶金与生态工程学院, 北京 100083 2) 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室, 北京 100083 苣通信作者, E鄄mail: yangzhanbing@ ustb. edu. cn 收稿日期: 2016鄄鄄09鄄鄄23 基金项目: 国家自然科学基金资助项目(51471027);2014 年钢铁冶金新技术国家重点实验室开放基金资助项目(KF14鄄鄄03);中央高校基本科 研业务费 摘 要 利用激光鄄鄄超高压电子显微镜系统在 500 益对 SUS316L 奥氏体不锈钢进行了电子束辐照和脉冲激光鄄鄄电子束双束同 时辐照(以下简称:同时辐照),通过观察和分析辐照后自由晶界处无空洞区域以及元素偏析,以电子束辐照结果为标准,对比 研究了同时辐照对空位扩散的影响. 结果表明:同时辐照后的无空洞区域宽度为48 依 16 nm,小于电子辐照的71 依 27 nm;不论 在偏析程度还是偏析宽度上,同时辐照条件下 Cr 和 Ni 的偏析都小于对应的电子束辐照;同时辐照下空位的扩散通量仅为电 子束辐照的 45郾 7% . 通过分析得出,和电子辐照相比,同时辐照促进了空位与间隙原子的再结合,限制空位向尾闾扩散,进而 造成流入尾闾的空位数量减少,极大地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以为探索抑制肿胀方法提 供新的思路. 关键词 奥氏体不锈钢; 脉冲激光鄄鄄电子束双束同时辐照; 过饱和空位; 无空洞区域; 辐照偏析; 辐照肿胀 分类号 TL341 Effect of pulsed鄄laser and / or electron irradiation on vacancy diffusion in SUS316L austenitic stainless steel YANG Su鄄bing 1,2) , YANG Zhan鄄bing 1,2) 苣 , WANG Hui 1,2) 1) School of Metallurgical and Ecological Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) State Key Laboratory of Advanced Metallurgy, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 苣Corresponding author, E鄄mail: yangzhanbing@ ustb. edu. cn ABSTRACT Electron irradiation and simultaneous pulsed鄄laser and electron dual鄄beam irradiation were performed using laser high voltage electronic microscopy (HVEM) at 500 益 , and the void鄄denuded zone (VDZ) and radiation鄄induced segregation (RIS) near the random grain boundary were observed and analyzed after irradiation. Compared to electron irradiation, the effect of simultaneous pulsed鄄laser and electron dual鄄beam irradiation on vacancy diffusion was investigated. The results show that the width of VDZ after simultaneous pulsed鄄laser and electron dual鄄beam irradiation is 48 依 16 nm which is smaller than the VDZ width of 71 依 27 nm after electron irradiation. Both the magnitude and width of Cr and Ni segregation under simultaneous pulsed鄄laser and electron dual鄄beam ir鄄 radiation are lower than those under electron irradiation. The ratio of vacancy flux of simultaneous pulsed鄄laser and electron dual鄄beam irradiation to that of electron irradiation is 45郾 7% . Compared to electron irradiation, the vacancy flux flowing into point defect sinks is lower owing to enhanced recombination between vacancies and interstitial spaces under simultaneous pulsed鄄laser and electron dual鄄 beam irradiation. This has the effect of suppressing RIS and void swelling. Therefore, simultaneous pulsed鄄laser and electron dual鄄 beam irradiation is expected to provide new insights into the suppression of void swelling. KEY WORDS austenitic stainless steel; simultaneous pulsed鄄laser and electron dual鄄beam irradiation; excess vacancies; void de鄄
·904· 工程科学学报，第39卷，第6期 nuded zone;radiation-induced segregation;void swelling 为了解决能源紧缺和环境污染问题，未来核能的 度对空位扩散通量的影响尚未研究.由于技术条件限 开发将向着更高效，更长服役时间，更安全的方向发 制，很难直接观测激光-电子束双束同时辐照下空位 展-]，这对反应堆中核心构件所使用的奥氏体不锈 的扩散行为：但辐照过程中，自由晶界附近的过饱和空 钢的性能提出了更高的要求，尤其是抗辐照肿胀性 位受晶界吸引而流向晶界)，导致空位浓度减小，空 能[3-].辐照肿胀作为奥氏体不锈钢中最为严重的辐 洞的形核率降低，在晶界附近形成无空洞区域(void 照损伤之一，会使奥氏体不锈钢体积发生膨胀，造成堆 denuded zone,VDZ)].无空洞区域的形成反映了晶 内紧固件断裂，严重威胁反应堆使用寿命及安全[6-刀： 界附近空位扩散情况，而无空洞区域的宽度，即W, 而且辐照肿胀也会恶化其他辐照损伤，如辐照硬 更是由辐照条件下空位扩散特性所决定[2】.因此，可 化s-],蠕变o,应力腐蚀开裂.因此，辐照肿胀一 以通过观察无空洞区域研究激光-电子束双束同时辐 直是核反应堆结构材料研究的重点及热点[] 照对空位扩散的影响.此外，空位向晶界迁移会造成 辐照诱导的过饱和空位相互聚集形成空洞，进而 溶质元素的偏析现象，尤其是奥氏体不锈钢中的C和 引起辐照肿胀，因此研究辐照条件下空位的扩散行为 Ni,因此晶界处成分偏析(radiation-induced segregation, 对于理解空洞的演变过程、判定影响肿胀因素、探索抑 RIS)也能在一定程度上反映出空位的扩散情况[24-25) 制肿胀方法起着至关重要的作用.Hlishinuma等[4]对 由于电子束辐照条件下晶界处无空洞区域以及辐 370~630℃下SUS316奥氏体不锈钢中的空位扩散行 照诱导偏析(radiation-induced segregation,RIS)t研究较 为进行了研究，确定了肿胀率与温度的上弧形关系，为 多，该区域内空位扩散规律已较为明了，因此本文利用 奥氏体钢使用条件的选择提供了参考：另有学者[5-)] 激光-超高压电子显微镜系统在500℃下对SUS316L 通过研究肿胀潜伏期中空位的扩散行为，发现T、Si 奥氏体不锈钢进行了电子束辐照和脉冲激光-电子束 等元素对空洞长大的抑制作用：Kato等[us]和Seki 双束同时辐照.通过观察和分析辐照后晶界处无空洞 等研究发现，由于合金元素与空位相互作用能力不 区域以及RS,以电子束辐照的实验结果为标准，对比 同，其对肿胀的抑制效果也有所差异，这为开发新钢种 研究了脉冲激光-电子束双束同时辐照对空位扩散的 提供了实验依据.但是现有的抑制肿胀方法依然无法 影响，为进一步揭示脉冲激光-电子束双束同时辐照 使奥氏体不锈钢满足未来核反应堆发展的要求，因此 抑制肿胀机理、探索新的抑制肿胀方法提供科学依据. 有必要探索新的抑制肿胀方法. 先前研究发现，脉冲激光-电子束双束同时辐照 1实验材料及方法 可以促进空位与间隙原子的再结合，在辐照过程中直 接抑制SUS316L奥氏体不锈钢中的辐照肿胀[2).但 本研究所用材料为SUS316L奥氏体不锈钢，其化 是该过程中空位的具体扩散行为，尤其是提高再结合 学成分如表1所示. 表1SUS316L奥氏体不锈钢化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of SUS316L austenitic stainless steel % Mn 的 c6 Mo U Fe 0.013 0.20 1.28 0.0240.0010 13.32 17.24 2.04 0.04 0.014 0.0396 Bal. 将实验材料用线切割机切成厚度为0.3mm的片 温度为500℃，时间为30min.电子辐照的电压为1250 状试样，机械研磨减薄至0.15mm左右，由冲样机将材 kV,辐照剂量3.6dpa(dap表示辐照条件下原子平均 料冲成直径为3mm的圆形薄片，最后采用双喷电解的 离位数量)，损伤速率2×10-3dpa·s;激光辐照波长532 方法制成透射电镜薄膜试样.电解液成分为5%高氯 nm,频率2，脉冲时间5~6ns,能量密度24mcm2. 酸+95%醋酸（体积分数），电压及温度分别为：12V 辐照完成后，利用透射电镜(Tecnai G2F20)对辐 和10℃ 照后晶界处空洞的分布进行观察，并对Wm进行计 算，并利用能谱(EDS)对晶界处C、Ni的偏析进行测 本研究利用日本北海道大学的激光-超高压电子 定与分析 显微镜系统进行辐照实验.超高压电镜型号为EOL, JEM-ARM1300:脉冲激光型号为Nd:YAG laser,Inlite 2实验结果及讨论 Ⅱ，Continuum.本研究的辐照方式为电子束辐照和脉 2.1辐照后无空洞区域的观察及分析 冲激光-电子束双束同时辐照（此后简称：同时辐照）， 利用超高压电子显微镜对辐照前后辐照区的微观
工程科学学报,第 39 卷,第 6 期 nuded zone; radiation鄄induced segregation; void swelling 为了解决能源紧缺和环境污染问题,未来核能的 开发将向着更高效,更长服役时间,更安全的方向发 展[1鄄鄄2] ,这对反应堆中核心构件所使用的奥氏体不锈 钢的性能提出了更高的要求,尤其是抗辐照肿胀性 能[3鄄鄄5] . 辐照肿胀作为奥氏体不锈钢中最为严重的辐 照损伤之一,会使奥氏体不锈钢体积发生膨胀,造成堆 内紧固件断裂,严重威胁反应堆使用寿命及安全[6鄄鄄7] ; 而且辐 照 肿 胀 也 会 恶 化 其 他 辐 照 损 伤,如 辐 照 硬 化[8鄄鄄9] ,蠕变[10] ,应力腐蚀开裂[1] . 因此,辐照肿胀一 直是核反应堆结构材料研究的重点及热点[11鄄鄄13] . 辐照诱导的过饱和空位相互聚集形成空洞,进而 引起辐照肿胀,因此研究辐照条件下空位的扩散行为 对于理解空洞的演变过程、判定影响肿胀因素、探索抑 制肿胀方法起着至关重要的作用. Hishinuma 等[14] 对 370 ~ 630 益下 SUS316 奥氏体不锈钢中的空位扩散行 为进行了研究,确定了肿胀率与温度的上弧形关系,为 奥氏体钢使用条件的选择提供了参考;另有学者[15鄄鄄17] 通过研究肿胀潜伏期中空位的扩散行为,发现 Ti、Si 等元 素 对 空 洞 长 大 的 抑 制 作 用; Kato 等[18] 和 Seki 等[19]研究发现,由于合金元素与空位相互作用能力不 同,其对肿胀的抑制效果也有所差异,这为开发新钢种 提供了实验依据. 但是现有的抑制肿胀方法依然无法 使奥氏体不锈钢满足未来核反应堆发展的要求,因此 有必要探索新的抑制肿胀方法. 先前研究发现,脉冲激光鄄鄄 电子束双束同时辐照 可以促进空位与间隙原子的再结合,在辐照过程中直 接抑制 SUS316L 奥氏体不锈钢中的辐照肿胀[20] . 但 是该过程中空位的具体扩散行为,尤其是提高再结合 度对空位扩散通量的影响尚未研究. 由于技术条件限 制,很难直接观测激光鄄鄄 电子束双束同时辐照下空位 的扩散行为;但辐照过程中,自由晶界附近的过饱和空 位受晶界吸引而流向晶界[21] ,导致空位浓度减小,空 洞的形核率降低,在晶界附近形成无空洞区域( void denuded zone, VDZ) [22] . 无空洞区域的形成反映了晶 界附近空位扩散情况,而无空洞区域的宽度,即 WVDZ , 更是由辐照条件下空位扩散特性所决定[23] . 因此,可 以通过观察无空洞区域研究激光鄄鄄电子束双束同时辐 照对空位扩散的影响. 此外,空位向晶界迁移会造成 溶质元素的偏析现象,尤其是奥氏体不锈钢中的 Cr 和 Ni,因此晶界处成分偏析(radiation鄄induced segregation, RIS)也能在一定程度上反映出空位的扩散情况[24鄄鄄25] . 由于电子束辐照条件下晶界处无空洞区域以及辐 照诱导偏析(radiation鄄induced segregation, RIS)研究较 多,该区域内空位扩散规律已较为明了,因此本文利用 激光鄄鄄超高压电子显微镜系统在 500 益 下对 SUS316L 奥氏体不锈钢进行了电子束辐照和脉冲激光鄄鄄电子束 双束同时辐照. 通过观察和分析辐照后晶界处无空洞 区域以及 RIS,以电子束辐照的实验结果为标准,对比 研究了脉冲激光鄄鄄电子束双束同时辐照对空位扩散的 影响,为进一步揭示脉冲激光鄄鄄 电子束双束同时辐照 抑制肿胀机理、探索新的抑制肿胀方法提供科学依据. 1 实验材料及方法 本研究所用材料为 SUS316L 奥氏体不锈钢,其化 学成分如表 1 所示. 表 1 SUS316L 奥氏体不锈钢化学成分(质量分数) Table 1 Chemical composition of SUS316L austenitic stainless steel % C Si Mn P S Ni Cr Mo V Al N Fe 0郾 013 0郾 20 1郾 28 0郾 024 0郾 0010 13郾 32 17郾 24 2郾 04 0郾 04 0郾 014 0郾 0396 Bal郾 将实验材料用线切割机切成厚度为 0郾 3 mm 的片 状试样,机械研磨减薄至 0郾 15 mm 左右,由冲样机将材 料冲成直径为 3 mm 的圆形薄片,最后采用双喷电解的 方法制成透射电镜薄膜试样. 电解液成分为 5% 高氯 酸 + 95% 醋酸(体积分数),电压及温度分别为:12 V 和 10 益 . 本研究利用日本北海道大学的激光鄄鄄 超高压电子 显微镜系统进行辐照实验. 超高压电镜型号为 JEOL, JEM鄄鄄ARM1300;脉冲激光型号为 Nd:YAG laser,Inlite II,Continuum. 本研究的辐照方式为电子束辐照和脉 冲激光鄄鄄电子束双束同时辐照(此后简称:同时辐照), 温度为 500 益 ,时间为 30 min. 电子辐照的电压为 1250 kV,辐照剂量 3郾 6 dpa ( dap 表示辐照条件下原子平均 离位数量),损伤速率2 伊10 -3 dpa·s -1 ;激光辐照波长 532 nm,频率2 Hz,脉冲时间5 ~6 ns,能量密度24 mJ·cm -2 . 辐照完成后,利用透射电镜( Tecnai G 2 F20) 对辐 照后晶界处空洞的分布进行观察,并对 WVDZ 进行计 算,并利用能谱(EDS) 对晶界处 Cr、Ni 的偏析进行测 定与分析. 2 实验结果及讨论 2郾 1 辐照后无空洞区域的观察及分析 利用超高压电子显微镜对辐照前后辐照区的微观 ·904·
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 ·905· 组织形貌进行原位观察，结果如图1所示.可以看出， 错在辐照过程中消失，并形成了大量点缺陷簇和位错 辐照前后辐照区的组织发生很大变化，晶界两侧的位 环，这是由辐照引入的过饱和点缺陷扩散聚集造成. a (b) 0.5 um 0.5am 图1500℃下电子束辐照前(a)后(b)辐照区形貌 Fig.1 Micrographs of irradiated area before (a)and after (b)electron iradiation at 500C 除点缺陷簇和位错环外，辐照引入的过饱和空位 组之前的研究结果一致[2).由于尾闾效果，晶界附近 相互聚集还会形成空洞.电子辐照后重合位置点阵晶 鲜有空洞形成，在黑线范围内形成了无空洞区域.测 界（Σ晶界）处的形貌如图2所示.受辐照影响晶界两 量离晶界最近的空洞到晶界的距离，取平均值得到 侧形成大量空洞，空洞平均尺寸约为6nm:而且紧挨着 Wz:统计结果表明，电子束辐照后的Wmc为71± 晶界处也有空洞产生，晶界附近并无无空洞区域形成. 27nm(误差为标准差)，而同时辐照后的W.L+。为 与自由晶界相比，Σ晶界的尾闾效果较弱2]，对空位 48±16nm,远小于电子束辐照. 的吸引能力不强，辐照引入的过饱和空位在晶界处也 W,m由空位扩散性能决定2]，不同数值表明两种 能相互聚集形成空洞，无法形成无空洞区域.因此，无 辐照条件下空位的扩散行为存在差异.Sekio等研究 空洞区域的研究只能在自由晶界处进行 发现[]，SUS316L钢中添加的大尺寸（大于Fe原子尺 寸)合金元素会限制空位扩散，造成无空洞区域宽度 减小.与电子束辐照相比，同时辐照的实验材料并无 差异，无空洞区域的减小应该并非合金元素所致：但同 时辐照极大地提高了空位与间隙原子再结合度，限制 空位向晶界扩散，同时空位相互聚集形成空洞的几率 增加，造成无空洞区域有所收缩.因此，从另一方面 讲，Wz的减小表明同时辐照下向晶界扩散的空位数 量也有所下降 2.2辐照后偏析的测定与分析 通常认为，晶界处的偏析越严重，扩散到晶界处的 50 nm 空位数量越多24].自由晶界处无空洞区域和偏析一 般会同时发生，弄清无空洞区域和S之间关系，对正 图2电子辐照后重合位置点阵品界处的空洞分布 确理解晶界处空位扩散及堆积行为亦非常重要. Fig.2 Void distribution near a coincidence site lattice boundary after 扫描透射(STEM)模式下对辐照后自由晶界处成 electron irradiation 分进行了面扫描分析，结果如图4所示.由Ni和Cr的 图3为电子束辐照和同时辐照后自由晶界附近空 面扫描结果分别在晶界处呈现明暗条纹可知，晶界处 洞的分布情况，图中黑色虚线表示无空洞区域边界位 存在着明显的Ni富集和Cr贫化现象：而偏离晶界的 置.从图3中可以看出，经30min辐照后，距晶界稍远 区域，C和Ni分布较均匀，并无明显偏析现象.同时， 处形成了大量空洞.其中电子辐照后空洞的尺寸大且 从面扫描结果中明暗条纹强度还可以看出，同时辐照 数量较少，而同时辐照后空洞的尺寸小且数量较多，表 后晶界处Cr和Ni的偏析程度明显小于电子束辐照. 明同时辐照对空洞长大有一定抑制作用，这与本课题 为了研究两种辐照条件下偏析的具体差异，对晶
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 组织形貌进行原位观察,结果如图 1 所示. 可以看出, 辐照前后辐照区的组织发生很大变化,晶界两侧的位 错在辐照过程中消失,并形成了大量点缺陷簇和位错 环,这是由辐照引入的过饱和点缺陷扩散聚集造成. 图 1 500 益下电子束辐照前(a)后(b)辐照区形貌 Fig. 1 Micrographs of irradiated area before (a) and after (b) electron irradiation at 500 益 除点缺陷簇和位错环外,辐照引入的过饱和空位 相互聚集还会形成空洞. 电子辐照后重合位置点阵晶 界(撞 晶界)处的形貌如图 2 所示. 受辐照影响晶界两 侧形成大量空洞,空洞平均尺寸约为 6 nm;而且紧挨着 晶界处也有空洞产生,晶界附近并无无空洞区域形成. 与自由晶界相比,撞 晶界的尾闾效果较弱[21] ,对空位 的吸引能力不强,辐照引入的过饱和空位在晶界处也 能相互聚集形成空洞,无法形成无空洞区域. 因此,无 空洞区域的研究只能在自由晶界处进行. 图 2 电子辐照后重合位置点阵晶界处的空洞分布 Fig. 2 Void distribution near a coincidence site lattice boundary after electron irradiation 图 3 为电子束辐照和同时辐照后自由晶界附近空 洞的分布情况,图中黑色虚线表示无空洞区域边界位 置. 从图 3 中可以看出,经 30 min 辐照后,距晶界稍远 处形成了大量空洞. 其中电子辐照后空洞的尺寸大且 数量较少,而同时辐照后空洞的尺寸小且数量较多,表 明同时辐照对空洞长大有一定抑制作用,这与本课题 组之前的研究结果一致[20] . 由于尾闾效果,晶界附近 鲜有空洞形成,在黑线范围内形成了无空洞区域. 测 量离晶界最近的空洞到晶界的距离,取平均值得到 WVDZ . 统计结果表明,电子束辐照后的 WVDZ,e - 为 71 依 27 nm(误差为标准差),而同时辐照后的 WVDZ,L + e - 为 48 依 16 nm,远小于电子束辐照. WVDZ由空位扩散性能决定[23] ,不同数值表明两种 辐照条件下空位的扩散行为存在差异. Sekio 等研究 发现[19] ,SUS316L 钢中添加的大尺寸(大于 Fe 原子尺 寸)合金元素会限制空位扩散,造成无空洞区域宽度 减小. 与电子束辐照相比,同时辐照的实验材料并无 差异,无空洞区域的减小应该并非合金元素所致;但同 时辐照极大地提高了空位与间隙原子再结合度,限制 空位向晶界扩散,同时空位相互聚集形成空洞的几率 增加,造成无空洞区域有所收缩. 因此,从另一方面 讲,WVDZ的减小表明同时辐照下向晶界扩散的空位数 量也有所下降. 2郾 2 辐照后偏析的测定与分析 通常认为,晶界处的偏析越严重,扩散到晶界处的 空位数量越多[24鄄鄄26] . 自由晶界处无空洞区域和偏析一 般会同时发生,弄清无空洞区域和 RIS 之间关系,对正 确理解晶界处空位扩散及堆积行为亦非常重要. 扫描透射(STEM)模式下对辐照后自由晶界处成 分进行了面扫描分析,结果如图 4 所示. 由 Ni 和 Cr 的 面扫描结果分别在晶界处呈现明暗条纹可知,晶界处 存在着明显的 Ni 富集和 Cr 贫化现象;而偏离晶界的 区域,Cr 和 Ni 分布较均匀,并无明显偏析现象. 同时, 从面扫描结果中明暗条纹强度还可以看出,同时辐照 后晶界处 Cr 和 Ni 的偏析程度明显小于电子束辐照. 为了研究两种辐照条件下偏析的具体差异,对晶 ·905·
·906· 工程科学学报，第39卷，第6期 (a) b 100nm 100nm 图3不同辐照条件下自由品界处的空洞分布.()电子辐照：(b)脉冲激光-电子束双束同时辐照（图中黑色虚线表示无空洞区域边界位 置) Fig.3 Void distribution near random grain boundary under electron irradiation (a)and simultaneous pulsed-laser and electron dual-beam irradiation (b)(black dashed line in the figure represents the VDZ boundary) Cr b) 00 nm 图4不同辐照条件下品界处成分的面扫描结果.()电子束辐照：(b)脉冲激光-电子束双束同时辐照 Fig.4 Mapping results of components near grain boundary under different irradiations:(a)electron iradiation;(b)simultaneous pulsed-laser and electron dual-beam irradiation 界处的C、Ni成分进行了点分析，结果如图5所示.图 具体的数值差异还需计算得到.Millett等2)认为，在 中横坐标0处表示晶界位置，纵坐标0处表示偏析量 点缺陷浓度远大于其热平衡浓度时，W、z与空位扩散 为0.可以看出远离晶界处C和Ni并无偏析产生，但 性能有关.同时，Sakaguchi等2]给出了晶界吸收间隙 越靠近晶界，Cr和Ni的偏析量越大，并在晶界处达到 原子时，捕获半径（进入该半径内的间隙原子会流 最大值.其中，电子辐照下晶界处Cr和Ni的偏析量分 入晶界中)与间隙原子扩散通量D,C:的关系，如下式 别为-10.2%和+22.5%(“-”表示贫化，“+”表示 所示. 富集)：而同时辐照下为-5.4%和+8.3%，其偏析程 =[2D,C,/G]n. (1) 度明显小于电子辐照.除了偏析程度外，同时辐照的 式中：D为间隙原子扩散系数，C为间隙原子浓度， 偏析宽度（晶界附近最远偏析处与晶界的距离），Ws, D.C,为间隙原子扩散通量；G为辐照损伤速率，dpas. 约为25nm,也远小于电子辐照下的55nm.这表明同 当辐照剂量达到3.6dpa时，试样内部点缺陷浓度 时辐照限制了空位向晶界扩散，这与前面无空洞区域 已经过饱和，而且空位及间隙原子的扩散也早已进入 的结果一致 稳定阶段，因此可以作如下假设： 2.3两种辐照下空位扩散通量的计算 (a)式(1)对空位同样适用.因此，式(1)可改为： 晶界附近无空洞区域以及偏析情况表明同时辐照 =[2D Cy/G] (2) 下扩散到晶界的空位数量低于电子辐照，但两者之间 此时中≈W、z
工程科学学报,第 39 卷,第 6 期 图 3 不同辐照条件下自由晶界处的空洞分布 郾 (a)电子辐照;(b)脉冲激光鄄鄄电子束双束同时辐照(图中黑色虚线表示无空洞区域边界位 置) Fig. 3 Void distribution near random grain boundary under electron irradiation (a) and simultaneous pulsed鄄laser and electron dual鄄beam irradiation (b) (black dashed line in the figure represents the VDZ boundary) 图 4 不同辐照条件下晶界处成分的面扫描结果 郾 (a)电子束辐照;(b)脉冲激光鄄鄄电子束双束同时辐照 Fig. 4 Mapping results of components near grain boundary under different irradiations: (a) electron irradiation; (b) simultaneous pulsed鄄laser and electron dual鄄beam irradiation 界处的 Cr、Ni 成分进行了点分析,结果如图5 所示. 图 中横坐标 0 处表示晶界位置,纵坐标 0 处表示偏析量 为 0. 可以看出远离晶界处 Cr 和 Ni 并无偏析产生,但 越靠近晶界,Cr 和 Ni 的偏析量越大,并在晶界处达到 最大值. 其中,电子辐照下晶界处 Cr 和 Ni 的偏析量分 别为 - 10郾 2% 和 + 22郾 5% (“ - 冶 表示贫化,“ + 冶 表示 富集);而同时辐照下为 - 5郾 4% 和 + 8郾 3% ,其偏析程 度明显小于电子辐照. 除了偏析程度外,同时辐照的 偏析宽度(晶界附近最远偏析处与晶界的距离),WRIS , 约为 25 nm,也远小于电子辐照下的 55 nm. 这表明同 时辐照限制了空位向晶界扩散,这与前面无空洞区域 的结果一致. 2郾 3 两种辐照下空位扩散通量的计算 晶界附近无空洞区域以及偏析情况表明同时辐照 下扩散到晶界的空位数量低于电子辐照,但两者之间 具体的数值差异还需计算得到. Millett 等[27] 认为,在 点缺陷浓度远大于其热平衡浓度时,WVDZ与空位扩散 性能有关. 同时,Sakaguchi 等[28]给出了晶界吸收间隙 原子时,捕获半径 r gb i (进入该半径内的间隙原子会流 入晶界中)与间隙原子扩散通量 DiCi 的关系,如下式 所示. r gb i = [2DiCi / Gdpa] 1 / 2 . (1) 式中:Di 为间隙原子扩散系数,Ci 为间隙原子浓度, DiCi 为间隙原子扩散通量;Gdpa为辐照损伤速率,dpa·s -1 . 当辐照剂量达到 3郾 6 dpa 时,试样内部点缺陷浓度 已经过饱和,而且空位及间隙原子的扩散也早已进入 稳定阶段,因此可以作如下假设: (a)式(1)对空位同样适用. 因此,式(1)可改为: r gb V = [2DV CV / Gdpa] 1 / 2 . (2) 此时 r gb V 抑WVDZ . ·906·
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·