通过构建蜂窝状异质双相微结构强化AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金与304不锈钢电子束焊接接头

本刊推荐一项关于无压烧结碳化硅（SiC）在核应用领域的重要研究。该工作通过500 keV氦（He）离子注入实验，系统揭示了不同温度（室温、500℃、800℃）下He注入诱导的微观结构损伤（包括晶格无序、膨胀、He气泡形成及非晶化）与硬化效应的演化规律，为核反应堆结构材料（如包壳材料）的抗辐照性能优化提供了关键实验依据。

　　

Highlight

材料制备

多晶α-SiC通过无压烧结制备，烧结助剂不含硼（B）。原料为96.21 wt% β-SiC（0.6 μm，挪威Kymera International）与烧结助剂1.03 wt% AlN、0.86 wt% Al₂O₃（0.5 μm，日本Sumitomo Chemical）及1.90 wt% Y₂O₃（4 μm，中国江银嘉华），固定摩尔比为3:1:1（AlN:Al₂O₃:Y₂O₃）。采用碳化硅球和聚丙烯罐在乙醇中球磨混合20小时，混合物经干燥、过筛（200目）后，在2050℃氩气气氛中烧结1小时，最终获得相对密度＞98%的烧结体。

X射线衍射分析（XRD）

图3展示了原始及注入样品的掠入射X射线衍射（GIXRD）图谱。可见原始与辐照样品的衍射峰均明确对应4H-SiC、6H-SiC和3C-SiC相，并已标注。Rietveld精修结果表明这些样品主要包含4H-SiC相（67–73 wt%）和6H-SiC相（30–32 wt%），以及微量3C-SiC。氦注入并未改变主相组成。可观察到，注入样品在衍射角2θ为35.6°、38.2°、41.4°和60.0°处的衍射峰强度相对降低，且随着注入温度升高，强度降低程度减弱。此外，注入后衍射峰略微向低角度移动，表明晶格发生膨胀（肿胀）。

结构损伤演化

注入的氦（He）原子会与SiC晶格原子碰撞，产生位移级联，形成空位、间隙原子、氦气泡、位错环和其他缺陷[4,[13], [14], [15], [16], [17],19,33]。这一过程导致晶格无序和拉伸应变或晶格肿胀，正如拉曼光谱结果所观察到的那样。对于辐照SiC中高达~10 dpa（每个原子的位移）的剂量，晶格膨胀完全对应于宏观肿胀[34]。这些现象在室温（RT）下最为显著，并随着注入温度升高而减弱。在室温下，损伤峰值区域观察到一个非晶带，这归因于低温下动态退火不足，导致缺陷积累和碰撞级联重叠引发的非晶化。在500°C和800°C下注入的样品中，由于高温下动态退火增强，没有形成非晶层。然而，在800°C下注入的样品中，拉曼光谱检测到更高的无序度和肿胀，这可能与高温下增强的点缺陷迁移和聚集有关。

结论

本研究对主要由α-SiC组成的无压烧结SiC样品在室温、500°C和800°C下注入了500 keV He离子至1.0×10¹⁷ ions/cm²。通过XRD、拉曼光谱和TEM测量了辐照诱导的微观结构损伤。利用纳米压痕技术分析了力学性能。主要结论如下：

室温下的He注入诱导了晶格肿胀、局部非晶化以及纳米级气泡。随着温度升高至500°C和800°C，晶格无序和肿胀减弱，且未发生非晶化。室温下注入样品的硬化程度最小，而500°C下注入样品的硬化程度最大，这归因于非晶层的软化效应和注入诱导缺陷的钉扎效应。