质子辐照与热老化协同揭示Fe-Cr合金低温Cr溶解度极限与α′相析出机制

为解决Fe-Cr合金在450°C以下因Cr扩散缓慢导致α′相(α')溶解度极限难以测定的难题，研究人员通过质子辐照增强扩散与热老化实验，结合原子探针断层扫描(APT)和STEM-EDS技术，首次建立了250-500°C范围内Cr溶解度边界，为合金抗脆化设计提供关键数据，并验证了低能质子辐照作为相图研究新方法的可行性。

　　

Fe-Cr合金作为锅炉、核反应堆等关键设备的候选材料，其性能劣化始终是工程领域的痛点。当温度降至450°C以下时，Cr原子像被冻住般难以移动，导致传统热老化实验需要长达23年才能达到平衡状态。更棘手的是，Cr-rich α′相(α')的析出会引发灾难性脆化，而现有CALPHAD（CALculation of PHAse Diagrams）计算模型在低温区域的预测差异高达4%，严重制约合金设计。这种"数据荒漠"现象促使科学家们寻找突破传统热力学研究极限的新方法。

美国密歇根大学联合橡树岭国家实验室的研究团队创新性地采用质子辐照技术，通过800 keV质子轰击Fe-(5-18)%Cr合金，在250-450°C下仅用28小时就实现了相当于数年的原子扩散效果。结合450-500°C长达1年的热老化对照实验，利用原子探针断层扫描(APT)纳米级成分分析和高分辨STEM-EDS（扫描透射电子显微镜-能谱） mapping技术，首次绘制出250-500°C范围内精确的Cr溶解度曲线。相关成果发表在《Materials》期刊，为抗辐照材料设计树立了新基准。

研究采用三大核心技术：1) 精确控温的800 keV质子辐照系统，在3μm深度区域产生2 dpa（displacement per atom）损伤；2) APT三维原子重构技术，通过等效球半径(R_eq)和Guinier半径(R_G)定量分析α′相形貌；3) STEM-EDS原位关联位错环与Cr偏聚行为。通过计算扩散距离与析出相间距的比值，建立了辐照加速实验与热平衡状态的定量关联模型。

【Cr precipitation after proton irradiations】
在Fe-18Cr中，质子辐照产生的α′相分布与热老化样品高度相似，350°C下等效球半径达2.5 nm，证实辐照增强扩散(REP)机制主导。值得注意的是，250°C辐照时出现的非球形析出相与位错环共定位，STEM-EDS直接观测到Cr在环上的偏聚，揭示辐射诱导析出(RIP)现象。

【Cr precipitation after thermal aging】
热老化实验显示，500°C下α′相Cr浓度可达85 at.%，而450°C老化1年后仍低于80%，证明传统方法在低温下的局限性。硬度测试表明12-15%Cr构成相边界拐点，与APT测量的基体Cr浓度6.5-9%相互印证。

【Kinetics of α′ precipitation】
通过计算发现，电子辐照因极低PKA（primary knock-on atom）能量最接近热平衡，而质子辐照的轻微级联混合效应使基体Cr浓度偏高约1%。当扩散距离超过10 nm时，α′相核心Cr浓度稳定在>80%，标志稳态形成。

【Derived phase boundary】
采用修正规则溶液模型拟合的实验数据表明，250°C时Cr溶解度为6.5%，显著高于早期CALPHAD预测。该曲线与中子辐照数据吻合，但比重离子辐照结果低2-4%，证实后者因级联混合高估溶解度。

这项研究不仅解决了困扰学界数十年的Fe-Cr相图低温段争议，更开创了利用可控辐照加速相图研究的新范式。提出的溶解度边界为开发抗脆化合金提供精确导航，例如将核反应堆材料Cr含量控制在6.5%以下可避免250°C服役时α′相析出。方法学突破的意义远超体系本身，可推广至Ni-Cr、Fe-Cu等扩散缓慢的合金系统，为极端环境材料设计提供普适性研究工具。研究同时警示，采用重离子辐照模拟中子辐照时需谨慎评估级联混合带来的数据偏差。