纯钒表面渗硼层的He/H离子辐照损伤研究

Vanadium alloy receives many concerns as structural candidate materials for advanced fast reactor and fusion reactor.Surface modification of vanadium alloys has attracted extensive research interest because of their several serious problems when applied in nuclear reactor, such as: oxidation at high temperature, hydrogen embrittlement, tritium leakage et al. However, most of previous studies focus on the preparation process of the surface modification shells, while interaction of vanadium alloy with helium and hydrogen in nuclear environments is seldomly reported. This proposal is to focus on the irradiation damage and synergistic effect of H+ and He+ single-beam and dual-beam irradiation on the surface boronized layer of pure vanadium in nuclear conditions. Combined with HRTEM and PAS, as well as nanoindentation instrument, we tend to reveal the influences of H+ and He+ irradiations on the microstructures and mechanical properties of the surface boronized layer, which will provide the experimental foundations for evaluating the reliability of the surface boronizing layer of vanadium alloys in nuclear reactor. SRIM and DFT will also be employed to learn the damage process of boronized layer under irradiation and the ocupation, diffusion, accumulation and nucleation of H+ and He+. This research will help us to futher understand the mechanism of hydrogen embrittlement and helium embrittlement in transition metal borides.

钒合金作为先进快堆和聚变堆结构材料的候选材料备受关注，由于钒合金在堆用环境中存在着高温氧化、氢脆以及氚的渗透泄露等问题，对钒合金进行表面改性逐渐成为了研究热点。但改性层材料在面对中子辐照等服役环境时，与氦、氢的相互作用仍是需要重点关注的科学问题。通过简化体系，本项目拟以纯钒的表面渗硼改性层为研究对象，采用高能He、H离子辐照，研究核能环境下He、H单束及双束离子对纯钒表面渗硼层的辐照损伤及协同效应，利用高分辨透射电镜（HRTEM）、正电子湮灭谱仪（PAS）、纳米压痕仪等手段从实验上研究He、H离子辐照对渗硼层的微观结构和力学性能的影响；利用SRIM程序模拟和第一原理计算，从理论上研究渗硼层的辐照损伤效应以及氦、氢在渗硼层中的占位、扩散、聚集和形核。通过本项目研究，不仅对钒合金表面改性材料设计有重要指导意义，还可深化对过渡族金属硼化物氦脆和氢脆物理机制的科学认识。

钒合金作为先进快堆和聚变堆结构材料的候选材料备受关注，由于钒合金在堆用环境中存在着高温氧化、氢脆以及氚的渗透泄露等问题，对钒合金进行表面改性逐渐成为了研究热点。但改性层材料在面对中子辐照等服役环境时，与氦、氢的相互作用仍是需要重点关注的科学问题。本项目以纯钒表面渗硼层为研究对象，采用单束及双束He、H离子对纯钒表面渗硼层进行辐照，并对辐照前后的样品开展了辐照缺陷、辐照对组织结构及力学性能影响的研究，同时利用第一性原理的方法对H、He原子的占位和扩散进行了模拟计算。实验结果表明，单束及双束He、H离子辐照在材料内引入空位及空位-原子复合体等缺陷。对于单束He离子辐照和He+H 离子辐照缺陷随剂量增加而减小，而对于单束H离子辐照和H+He 离子辐照，缺陷则随剂量增加而增加；在相同剂量条件下，He+H 离子辐照样品的S参数要大于H+He的情形，He、H离子之间存在协同效应。He、H离子辐照在材料内部产生了均匀分布的纳米尺度的泡，造成了晶格畸变且产生了内部应力，应变率及晶格畸变与H、He离子种类及辐照顺序密切相关。He、H离子辐照均造成材料硬化，但差异不太明显。而第一性原理计算结果表明VB2中H可形成HiTIS、[H-VB]、[H-VV]三种缺陷，相对稳定性为[H-VB]＞HiTIS＞[H-VV]；而He可形成HeiOIS、HeB、HeV缺陷，相对稳定性为HeV＞HeB＞HeiOIS。VB2中H、He相关缺陷中最主要的迁移类型为间隙原子，且Hi比Hei更易迁移。H对Hei的形成和迁移有利，而He对Hi的形成有利，但对Hi的迁移不利。VB2中存在H、He的相互作用。通过本项目研究，不仅对钒合金表面改性材料设计有重要指导意义，还可深化对过渡族金属硼化物氦脆和氢脆物理机制的科学认识。