【摘 要】
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增材制造技术因其短周期、复杂结构适应性、高精度制造等独特优势,非常契合未来先进核能系统装备智能制造的趋势。但是基于增材制造材料中与传统工艺制造材料显著的微观结构差异,尤其是其抗辐照性能会直接关乎核能系统运行的安全性,因此针对增材制造材料特殊本征结构开展其辐照损伤机制研究必不可少。本研究以选区激光熔化（Selective Laser Melting,SLM）技术制备而得的核用316L不锈钢为研究载体
【机 构】
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中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
【出 处】
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中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
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增材制造技术因其短周期、复杂结构适应性、高精度制造等独特优势,非常契合未来先进核能系统装备智能制造的趋势。但是基于增材制造材料中与传统工艺制造材料显著的微观结构差异,尤其是其抗辐照性能会直接关乎核能系统运行的安全性,因此针对增材制造材料特殊本征结构开展其辐照损伤机制研究必不可少。本研究以选区激光熔化（Selective Laser Melting,SLM）技术制备而得的核用316L不锈钢为研究载体,开展了增材制造材料中辐照损伤行为及性能研究,重点探索了其高温氦致硬化脆化、辐照硬化、辐照肿胀等辐照效应表现,并关注了SLM 316L不锈钢中特殊本征结构对辐照缺陷演化的影响,通过上述研究为增材制造技术应用于核能领域部件生产提供一定的参考。在700℃连续剂量氦离子辐照实验下开展的有关高温氦致硬化脆化研究中发现,SLM和传统制造（traditional manufacturing,TM）316L不锈钢的辐照硬化程度都随着离子剂量的增加而增大,但SLM 316L展现出优异的抗高温氦致硬化能力:当TM 316L不锈钢的硬化程度为32%-75%时,SLM 316L不锈钢中仅为6%-47%,并且TM 316L不锈钢在5×1016 ions/cm~2剂量下就呈现了硬化饱和的现象,而SLM 316L不锈钢直到最高剂量1×1017ions/cm~2都没有明显的硬化饱和。对两种不锈钢的辐照缺陷观察中发现,TM 316L不锈钢中明显存在更高密度氦泡(7.06×1023/m~3),远大于SLM 316L不锈钢中(3.33×1023/m~3),而通过DBH（Dispersed Barrie Hardening,DBH）模型衡量了辐照缺陷对硬化的贡献能够证实,SLM 316L中存在大量的纠缠位错网络壁和晶界等特殊本征结构对氦具有抑制作用,明显降低了体系内氦泡的密度,这是SLM 316L不锈钢具有更好的抗高温氦致硬化能力的微观解释。在350-900℃温度区间内,进一步开展的有关于SLM 316L不锈钢体系中氦泡演化机制等研究中发现:低温阶段（350-550℃）,氦泡的演化可能受制于氦原子的空位扩散机制;而高温阶段（700-900℃）,氦泡整体迁移合并机制的激活,将会影响氦原子受置换机制调控的迁移行为。而特殊本征结构对氦泡演化影响的差异在温度升高的过程中得以被证实:700-900℃的高温下,位错结构附近存在明显的氦泡非均相形核现象;而只有在900℃时,氦泡的聚集行为才在氧化物-基体界面处被发现;而晶界对氦泡的影响在单独开展的薄片样品氦离子辐照（150-450℃）下被能够被观察到;另外针对350-900℃温度段SLM 316L不锈钢中氦致肿胀的分析发现,SLM 316L不锈钢中存在比TM 316L不锈钢更低的肿胀程度。上述结果表明了SLM 316L不锈钢中特殊本征结构对辐照缺陷的演化具有显著影响,能够显著降低氦泡对材料性能的影响。在不同温度下开展的连续剂量重离子（Xe、Fe离子）离位损伤研究中发现,两种316L不锈钢室温（RT）及高温（700℃）下的辐照硬化曲线随着剂量的增长迅速达到饱和。RT辐照下,剂量低于1 dap时硬化程度已经达到最大值,而700℃下则在1-3 dpa范围内才达到饱和,并且高温下硬化程度明显低于RT辐照下。另外,不论在RT或者700℃辐照下,SLM 316L不锈钢的硬化曲线整体都在TM 316L不锈钢下方,由Makin-Minter公式计算获得的缺陷临界有效体积参数,可以推测SLM 316L不锈钢中具有更低密度的辐照缺陷。而对辐照缺陷的微观观察中发现了与辐照硬化行为一致的缺陷特征:辐照后的两种316L不锈钢内部存在位错环缺陷,但是700℃下位错环的密度都远低于RT辐照下,这是由于高温下材料内部点缺陷的迁移能力的提升促进了缺陷的回复,这使得两种316L不锈钢表现出高温下更低的辐照硬化。而相同辐照条件下,SLM 316L不锈钢内部都存在比TM 316L不锈钢更低密度的位错环,这来源于SLM 316L不锈钢中存在复杂位错、细密晶界、氧化物颗粒等特殊本征结构作为缺陷阱,使得其内部缺陷的生成速率和最终平衡状态下的缺陷密度都将更低,从而使得SLM316L较TM 316L不锈钢具有更好的抗辐照硬化能力。
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