氦离子辐照下Ti-5331合金缺陷形成与辐照响应的多尺度研究

针对钛合金在核反应堆应用中辐照损伤机制不明的关键问题，中国科学院研究人员通过氦离子辐照实验结合第一性原理计算，揭示了Ti-5331合金中氦-空位复合体(HemVn)的演化规律及辐照硬化机制，发现13空位团簇可捕获1-2个氦原子，为核用钛合金设计提供了重要理论依据。

　　

钛合金因其优异的机械性能、耐腐蚀性和低中子吸收截面，在航空航天和核能领域具有重要应用价值。然而，当这些材料暴露于核反应堆的高能中子辐照环境时，会产生氦气泡和空位缺陷，导致材料肿胀、脆化和硬化。目前对钛合金辐照损伤机制的认识仍存在显著空白，特别是近α型Ti-5331合金（名义成分Ti-4.85Al-2.63V-2.9Zr-0.7Cr）在氦离子辐照下的缺陷演化行为尚不明确。这一问题严重制约了钛合金在先进核能系统中的应用。

为攻克这一难题，中国科学院的研究团队在《Vacuum》发表了创新性研究成果。该研究综合运用慢正电子束多普勒展宽谱（DBS）、透射电子显微镜（TEM）、小角X射线散射（SAXS）和纳米压痕等技术，结合第一性原理计算，系统考察了不同辐照注量和温度下Ti-5331合金的缺陷演化规律。西北有色金属研究院提供的热轧棒材被加工成10×10×0.5 mm³样品，经氦离子辐照后，通过多尺度表征手段揭示了材料微观结构与力学性能的关联性。

样品制备
研究采用标准金相处理方法，依次使用600-5000#砂纸打磨和金刚石悬浮液抛光，确保样品表面质量满足分析要求。

空位型缺陷演化
正电子湮没谱显示，室温辐照时空位缺陷主要保留，而高温（300°C）辐照促进氦原子与空位的迁移聚集。通过第一性原理计算定量确定：在低注量辐照下，13空位团簇（V₁₃）可捕获1-2个氦原子形成亚纳米气泡，这是辐照引入的主要缺陷类型。

辐照硬化机制
纳米压痕测试表明，硬化程度与辐照注量呈正相关。TEM观察发现，较大氦泡与位错环的强相互作用是导致硬化的主要原因。SAXS数据进一步证实气泡尺寸分布与辐照参数密切相关。

这项研究首次阐明了Ti-5331合金中氦-空位复合体的形成阈值和演化路径，建立了辐照参数-微观结构-力学性能的定量关系。特别值得注意的是，研究团队创新性地将理论计算与实验数据结合，精确计算出亚纳米气泡的氦原子捕获数，这一突破为预测材料辐照寿命提供了新方法。在工程应用层面，研究证实Cr元素的添加有效提升了Ti-5331的抗辐照性能，这对海洋核动力系统等特殊环境下的材料选型具有重要指导价值。

研究结论强调：氦泡尺寸和分布密度同时受辐照注量和温度调控；辐照硬化主要源于大尺寸氦泡与缺陷团簇的相互作用；近α型钛合金展现出优于α+β型合金的辐照稳定性。这些发现不仅填补了钛合金辐照损伤数据库的空白，更为发展新型抗辐照结构材料提供了理论框架和技术路线。