镍基合金Hastelloy N离子辐照效应的透射电镜与原子探针断层扫描关联表征研究

为探究熔盐堆严苛环境中材料辐照损伤机制，研究人员采用2 MeV Ni+离子辐照（600°C）结合原子探针断层扫描（APT）、透射电镜（TEM）和能谱分析（EDS），首次揭示Hastelloy N中热力学非平衡态M2C碳化物形成及Si偏聚现象，阐明其导致20%硬度提升的强化机制，为新一代抗辐照材料设计提供关键数据支撑。

　　

在核能材料领域，熔盐堆（Molten Salt Reactor）因其高温、强辐照和腐蚀性环境对结构材料提出严峻挑战。上世纪50年代的研究受限于表征技术，对镍基合金Hastelloy N的辐照损伤机制认知存在空白。随着现代分析技术的发展，重新评估这种候选材料的性能成为当务之急。

中国核动力研究设计院的研究团队在《Materials Characterization》发表论文，通过2 MeV Ni⁺离子辐照模拟中子损伤，结合原子探针断层扫描（Atom Probe Tomography, APT）、透射电子显微镜（Transmission Electron Microscopy, TEM）和能量色散X射线光谱（Energy Dispersive Spectroscopy, EDS）三维表征技术，首次揭示出Hastelloy N在600°C辐照环境中的独特响应机制。

关键技术方法包括：1）采用2 MeV Ni⁺离子在600°C对Hastelloy N进行辐照；2）通过APT获得纳米尺度成分三维分布；3）利用TEM观察位错环等缺陷结构；4）EDS分析元素偏聚行为。

【辐照诱导碳化物相变】
研究发现辐照显著促进热力学亚稳态M₂C碳化物形成，而非平衡态下更稳定的M₆C。APT数据显示M₂C呈纳米尺度弥散分布，这种相选择性与辐照缺陷的催化作用密切相关。

【Si偏聚的协同效应】
TEM-EDS联合分析发现Si元素在辐照缺陷处发生显著偏聚：1）在位错环周围形成富Si区；2）沿晶界出现Si元素偏聚带。这种溶质拖曳效应可能通过降低界面能促进M₂C形核。

【力学性能变化】
纳米压痕测试显示辐照导致材料硬度提升20%，这种强化效应主要源于：1）M₂C沉淀强化；2）辐照缺陷对位错运动的阻碍；3）Si偏聚引起的固溶强化。

该研究首次建立Hastelloy N在熔盐堆工况下的"辐照-微观结构-性能"关联模型，突破传统热力学平衡态理论的预测局限。发现M₂C/Si偏聚协同强化机制为新型抗辐照合金设计指明方向：通过调控辐照缺陷与溶质元素的交互作用，可主动设计具有辐照自增强效应的材料体系。这些认识对第四代核反应堆结构材料开发具有重要指导价值。