核能作為一種可調(diào)度性的清潔能源，是實現(xiàn)“碳達峰，碳中和”目標(biāo)的重要能源組成。核反應(yīng)堆中，材料在輻照下通常會發(fā)生微觀結(jié)構(gòu)和性能的嚴(yán)重退化。為了實現(xiàn)先進核能體系的快速發(fā)展和安全應(yīng)用、滿足現(xiàn)役反應(yīng)堆的延壽需求，發(fā)展高性能抗輻照核能材料刻不容緩。
在中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項和國家自然科學(xué)基金等項目的資助下，中國科學(xué)院金屬研究所與山東大學(xué)、中國科學(xué)院近代物理研究所、遼寧材料實驗室團隊合作，創(chuàng)新性提出通過“自適應(yīng)馬氏體相變”提高金屬材料抗輻照性能的策略，實現(xiàn)了核級304奧氏體不銹鋼（304NG）抗輻照能力的大幅提升，為先進抗輻照材料的研發(fā)提供了新的途徑。相關(guān)成果以“Improved Radiation Resistance in Metals via Adaptive Martensitic Transformation”為題于12月11日發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）雜志上。金屬所王鎮(zhèn)波研究員和山東大學(xué)高寧教授為論文的共同通訊作者，金屬所博士生張澍和山東大學(xué)博士生董怡斌為論文共同第一作者。
研究團隊通過表面納米化技術(shù)在廣泛應(yīng)用于核反應(yīng)堆的304NG中制備了由高密度層錯、低能界面和位錯網(wǎng)絡(luò)等結(jié)構(gòu)特征組成的納米結(jié)構(gòu)，使得該材料具有優(yōu)異的抗輻照能力。例如，在室溫超高劑量（155 dpa）輻照后，GNS 304NG樣品中的輻照缺陷密度和尺寸僅為粗晶樣品中的3.8%和63%；在高溫（450 °C）輻照時GNS 304NG樣品也同樣表現(xiàn)出比粗晶樣品更為優(yōu)異的抗輻照性能。結(jié)合微觀結(jié)構(gòu)表征和分子動力學(xué)模擬，研究團隊發(fā)現(xiàn)，GNS 304NG優(yōu)異的抗輻照性能與輻照誘發(fā)的自適應(yīng)馬氏體相變密切相關(guān)：輻照缺陷與材料中預(yù)制的層錯相互作用而誘發(fā)馬氏體相變，加速輻照缺陷的消失；此外，高密度層錯還促使馬氏體相向周圍不斷拓展，在加速消耗輻照缺陷的同時形成連續(xù)分布的馬氏體相。進一步的微納力學(xué)實驗證實，GNS 304NG中大規(guī)模的自適應(yīng)馬氏體相變不會造成材料力學(xué)性能的惡化，將傳統(tǒng)上輻照誘發(fā)馬氏體相變造成材料脆化這一有害過程轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€有益的過程。由于自適應(yīng)馬氏體相變機制在從低劑量到極高劑量、從低溫到高溫的輻照下均保持有效，加之所采用的表面納米化技術(shù)具有低成本和工業(yè)上易于實現(xiàn)的特點，本工作表明，將表面納米化技術(shù)與自適應(yīng)馬氏體相變結(jié)合，可為現(xiàn)行及未來核設(shè)施提供一種大幅提升抗輻照能力的策略，應(yīng)用于奧氏體不銹鋼及鈦合金等在輻照下可發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的金屬材料中。
GNS 304NG樣品輻照前后的力學(xué)性能
