Irradiation hardening of ODS ferritic steels under helium implantation and heavy-ion irradiation

研发可以承受聚变反应堆内部苛刻的辐照条件的结构材料是建造聚变堆的重要技术问题之一，为此需要首先澄清辐照损伤机理。低活化钢是聚变堆首选的结构材料，其中氧化物弥散强化铁素体钢（oxide-dispersion-strengthened ferritic steel，即ODS铁素体钢）是通过机械冶金和热压工艺，在铁基合金基体中掺杂纳米级别的氧化物颗粒（Y2O3），以增强其高温强度和抗辐照能力。ODS铁素体钢以其优越的的高温强度、高导热率和低膨胀系数等性能成为聚变堆重要的候选结构材料。ODS铁素体钢主要有以下特征：（1）高密度的氧化物纳米颗粒，（2）μm量级的晶粒，（3）高密度的位错。本文研究了氧化物弥散强化（ODS）的三种铁素体钢，包括： 19Cr-3.5Al ODS铁素体钢（MA956）、16Cr-0.1Ti ODS和16Cr-0.1Zr ODS铁素体钢，在多能量的He离子和MeV能量的Bi、Xe离子辐照条件下的硬化效应。获得了辐照硬化与原子离位损伤水平(dpa)、He注入浓度的关系。结果表明，材料的硬度在低剂量范围会随着辐照剂量迅速增加，而在高剂量范围逐渐趋于饱和，可以用1/2次的幂函数拟合辐照硬化与离位损伤水平之间的关系。不同入射离子——Bi离子和Xe离子都引起ODS钢的硬化，而He离子还会在材料中导致氦泡形成，造成更加明显的硬化。实验结果表明，16Cr-0.1Ti ODS和16Cr-0.1Zr ODS铁素体钢较19Cr-3.5Al ODS钢（MA956）具有更强的抗辐照硬化能力，原因可归于其含有更高数密度的细化氧化物粒子——能够有效俘获点缺陷和氦原子——从而有效抑制晶粒内部和晶界处缺陷的长大。The present work investigates the irradiation hardening of ODS ferritic steels after multi-energy He-ion implantation, or energetic Bi-ion and Xe-ion irradiation, to get an understanding of dependence of irradiation-hardening on atomic displacement damage and gas accumulation. Three kinds of high-Cr ODS ferritic steels including the commercial MA956 (19Cr-3.5Al), the 16Cr-0.1Ti and the 16Cr-0.1Zr ODS ferritic steels wereused. The results show that the hardness increases rapidly at the lower doses but tends to saturate at the higher dose. An 1/2-power law dependence on dpa value is obtained. Helium implantation contributes significantly to the irradiation hardening, possibly due to the impediment of the motion dislocations by helium bubbles.16Cr-ODS (Ti or Zr added) steels which contains finer oxide particles in higher number density show higher resistance to irradiation hardening than the MA956.&nbsp