發(fā)布時(shí)間：2018-08-16 08:15

【摘要】：鎳基合金由于其優(yōu)異的耐熔鹽腐蝕性以及高溫力學(xué)性能被選為熔鹽堆的結(jié)構(gòu)材料。熔鹽堆中結(jié)構(gòu)材料面臨中子輻照,這將影響結(jié)構(gòu)材料的微觀組織及力學(xué)性能,進(jìn)而影響反應(yīng)堆的安全性及服役壽命。然而,結(jié)構(gòu)材料的中子輻照研究費(fèi)用高昂,中子輻照后材料被活化具有放射性。為此,本論文通過離子輻照來模擬鎳基合金的中子輻照效應(yīng),采用納米壓痕儀、透射電子顯微鏡及慢正電子淹沒裝置研究鎳基合金輻照后的力學(xué)性能及微觀結(jié)構(gòu)演化,并以單質(zhì)鎳為模型分析鎳基合金輻照后的力學(xué)性能及微觀結(jié)構(gòu)演化機(jī)理。采用7MeV Xe~(26+)及650°C高溫He~+輻照研究了鎳及鎳基合金輻照后的力學(xué)性能,研究表明,單質(zhì)鎳、GH3535合金以及Ni-W-Cr合金在離子輻照后發(fā)生了明顯的輻照硬化現(xiàn)象,輻照產(chǎn)生的位錯(cuò)環(huán)、缺陷團(tuán)簇以及氦泡是導(dǎo)致鎳及鎳基合金發(fā)生輻照硬化的主要原因。Makin-Minter方程能夠用來描述單質(zhì)鎳、GH3535合金以及Ni-W-Cr合金離子輻照誘導(dǎo)的硬化隨輻照損傷的變化關(guān)系,且有效體積常數(shù)可用于表征合金的抗輻照性能。另外,與GH3535合金相比,Ni-W-Cr合金具有較好的抗輻照硬化能力。采用30 keV He~+及1MeV Xe~(20+)輻照研究了單質(zhì)鎳及鎳基合金中輻照誘導(dǎo)的微結(jié)構(gòu)演化。研究表明,Hastelloy N合金中Xe~(20+)輻照使得固有位錯(cuò)周圍出現(xiàn)位錯(cuò)環(huán)修飾現(xiàn)象。另外,隨輻照劑量的升高,固有位錯(cuò)的密度減少,這是由于間隙原子的吸收使得固有位錯(cuò)線向樣品表面的攀移而引起的。高溫原位退火實(shí)驗(yàn)說明,退火溫度低于600°C時(shí),Hastelloy N合金中輻照產(chǎn)生的缺陷是穩(wěn)定的。在30 keV He~+輻照下,氦原子的存在導(dǎo)致單質(zhì)鎳中形成柏氏矢量為1/2110的間隙性位錯(cuò)環(huán)。隨輻照溫度的升高,由于單質(zhì)鎳中小位錯(cuò)環(huán)或團(tuán)簇的長大及合并,位錯(cuò)環(huán)尺寸增大、密度減少。另外,采用30 keV He~+輻照研究了鎳基二元合金(Ni-Cr、Ni-W,Ni-Mo)中溶質(zhì)原子對(duì)鎳基合金輻照性能的影響。研究表明,Cr、Mo固溶元素能夠抑制合金中位錯(cuò)環(huán)的生長。溶質(zhì)原子的體積尺寸因子以及合金化效應(yīng)與合金中輻照產(chǎn)生的位錯(cuò)環(huán)的密度和尺寸有密切關(guān)系,這可能是由于Cr、Mo、W溶質(zhì)原子的加入影響了合金的化學(xué)無序性、間隙/空位原子團(tuán)簇和點(diǎn)缺陷在級(jí)聯(lián)碰撞過程的擴(kuò)散、缺陷在級(jí)聯(lián)碰撞中的復(fù)合概率和缺陷向樣品表面的逃逸概率。高溫He~+輻照下,鎳基二元合金中有氦泡出現(xiàn)且在基體中均勻分布;隨輻照溫度的升高,氦泡的尺寸增大。分析表明,固溶合金中雜質(zhì)溶質(zhì)原子的存在是導(dǎo)致合金中氦泡均勻分布的主要原因,雜質(zhì)溶質(zhì)原子與He原子結(jié)合能的不同導(dǎo)致了合金中氦泡的密度和尺寸的差異。
[Abstract]:Nickel-based alloys are selected as structural materials for molten salt stacks due to their excellent corrosion resistance and high temperature mechanical properties. The structure material in molten salt reactor is exposed to neutron irradiation, which will affect the microstructure and mechanical properties of the structure material, and then affect the safety and service life of the reactor. However, the neutron irradiation of structural materials is expensive, and the activated materials are radioactive after neutron irradiation. Therefore, the neutron irradiation effect of nickel-based alloy was simulated by ion irradiation. The mechanical properties and microstructure evolution of Ni-base alloy after irradiation were studied by nano-indentation instrument, transmission electron microscope and slow positron submergence device. The mechanical properties and microstructure evolution mechanism of Ni-based alloy after irradiation were analyzed by means of a simple nickel model. The mechanical properties of nickel and nickel base alloys after irradiation were studied by 7MeV Xe26 and 650 擄C high temperature he-irradiation. The results showed that the irradiation-hardening phenomenon of Nickel-HGH3535 alloy and Ni-W-Cr alloy was obvious, and the dislocation ring produced by irradiation was observed. Defect clusters and helium bubbles are the main causes of irradiation hardening of nickel and nickel-based alloys. Makin-Minter equation can be used to describe the relationship between irradiation hardening and radiation damage induced by the ions of Nickel-HGH3535 alloy and Ni-W-Cr alloy. The effective volume constant can be used to characterize the radiation resistance of the alloy. In addition, Ni-W-Cr alloy has better radiation hardening resistance than GH3535 alloy. The microstructure evolution induced by irradiation in nickel and nickel-based alloys was studied by means of 30 keV He~ and 1MeV Xe20 irradiation. The results show that Xe20 irradiation causes dislocation ring modification around inherent dislocation in Hastelloy N alloy. In addition, with the increase of irradiation dose, the density of intrinsic dislocation decreases, which is caused by the inherent dislocation line climbing toward the surface of the sample due to the absorption of interstitial atoms. High temperature in-situ annealing experiments show that the defects produced by irradiation in Hastelloy N alloy are stable when annealing temperature is below 600 擄C. The existence of helium atoms at 30 keV He- irradiation results in the formation of a 1 / 2110 interstitial dislocation ring in nickel. With the increase of irradiation temperature, the size of dislocation ring increases and the density decreases due to the growing and merging of small and medium dislocation rings or clusters of nickel. In addition, the effects of solute atoms on the irradiation properties of Ni-based binary alloy (Ni-Cr-Ni-WN-Ni-Mo) were studied by 30 keV He-irradiation. The results show that the solid solution element of Cr-Mo can inhibit the growth of dislocation ring in the alloy. The volume size factor and alloying effect of solute atom are closely related to the density and size of dislocation ring produced by irradiation in the alloy, which may be due to the influence of the addition of Cr-MoW solute atom on the chemical disorder of the alloy. The diffusion of gap / vacancy clusters and point defects in cascade collisions, the recombination probability of defects in cascade collisions and the escape probability of defects to the surface of samples. Under high temperature He-irradiation, helium bubbles appeared in Ni based binary alloys and distributed uniformly in the matrix, and the size of helium bubbles increased with the increase of irradiation temperature. The analysis shows that the existence of impurity solute atoms in the solid solution alloy is the main reason for the uniform distribution of helium bubble in the alloy. The difference of binding energy between the impurity solute atom and he atom leads to the difference of the density and size of the helium bubble in the alloy.
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(上海應(yīng)用物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TL341

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本文編號(hào)：2185417