葉勇強(qiáng), 韓遠(yuǎn)飛*, 趙 敏, 黃光法, 呂維潔

（1．上海交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 金屬基復(fù)合材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200240；2．上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院, 上海 200240）

在高通量電離輻照的作用下，金屬結(jié)構(gòu)材料的晶格原子受到大量的高能粒子(離子、質(zhì)子和中子等)碰撞后，會(huì)形成高密度的間隙原子和空位等晶體缺陷。這些點(diǎn)缺陷隨著輻照作用的不斷加深，逐漸遷移、聚集且演化形成多種尺度的缺陷團(tuán)簇，出現(xiàn)位錯(cuò)環(huán)、層錯(cuò)四面體(stacking fault tetrahedron，SFT)和空洞等晶體缺陷[1-2]。同時(shí)，核裂變反應(yīng)中產(chǎn)生的中子與合金內(nèi)部原子相互作用，通過(guò)嬗變反應(yīng)生產(chǎn)大量的氫(H)和氦(He)，與空位相結(jié)合形成氣泡等缺陷[3-4]。在輻照損傷效應(yīng)的作用下，金屬結(jié)構(gòu)材料物理和力學(xué)等性能出現(xiàn)明顯的改變，出現(xiàn)輻照硬化、輻照脆化和輻照蠕變等。缺陷的演化伴隨著材料組織成分和微觀結(jié)構(gòu)的變化，出現(xiàn)腫脹、成分偏析和析出相等現(xiàn)象[5-6]。這些輻照損傷效應(yīng)最終會(huì)引起金屬結(jié)構(gòu)材料失效，對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性產(chǎn)生重大的影響。

目前在核工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，廣泛采用304L不銹鋼作反應(yīng)堆核心部件的材料。然而，由于輻照作用下材料的活化和質(zhì)量下降，其應(yīng)用往往受到很大的限制[7]。因此，使用一種能夠顯著降低活化和質(zhì)量，同時(shí)具有相似機(jī)械強(qiáng)度和耐腐蝕性的材料至關(guān)重要。鈦合金經(jīng)輻照后活性比304L低，使用壽命更長(zhǎng)，且密度低(4.51 g/cm3)，有更長(zhǎng)的使用周期[1,4,8]。鈦合金還具備良好的熱物性、優(yōu)異的機(jī)械性能和快速的放射性衰變性能，作為在核工業(yè)設(shè)備(如聚變反應(yīng)堆及裂散中子源(SNS))部分組件的結(jié)構(gòu)材料，有巨大的應(yīng)用前景。目前鈦合金如(Ti6Al4V和Ti5Al2.5Sn)被列為國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)柔性機(jī)械連接件的重要備選材料[9]。雙相鈦合金(Ti6Al4V)以高的強(qiáng)韌性、良好的耐疲勞極限和較高的抗脈沖熱沖擊性，已經(jīng)或?qū)?yīng)用在如下構(gòu)件：（1）日本質(zhì)子加速器研究中心(J-PARC) 的中微子設(shè)備安全殼窗口靶材，強(qiáng)子設(shè)備的燃燒室窗口靶材；（2）費(fèi)米國(guó)立加速器實(shí)驗(yàn)室(Fermilab)的長(zhǎng)基線中微子設(shè)施的安全殼窗口靶材；（3）密歇根州立大學(xué)（MSU）的稀有同位素束流設(shè)施(FRIB)的束流收集器；（4）國(guó)際直線對(duì)撞機(jī)(ILC)的14MW主要的收集器束窗[10–13]。然而，鈦合金作為核反應(yīng)堆構(gòu)件要受到大量高能粒子的作用，產(chǎn)生輻照損傷，影響材料的強(qiáng)塑/韌性和使用壽命。已有研究表明，鈦合金在受到較低輻照損傷強(qiáng)度時(shí)，主要缺陷是位錯(cuò)環(huán)和空位；在較高輻照損傷強(qiáng)度時(shí)，主要的缺陷類型為空洞[14–17]。此外，由于鈦合金具有出色的服役特性，已被應(yīng)用于深海小型核動(dòng)力系統(tǒng)鈦合金耐壓支承結(jié)構(gòu)[18-19]。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于Ti6Al4V等鈦合金的輻照損傷效應(yīng)的相關(guān)研究十分有限。研究鈦合金抗輻照損傷效應(yīng)對(duì)核反應(yīng)結(jié)構(gòu)材料性能的影響是目前研究熱點(diǎn)之一。系統(tǒng)了解輻照損傷缺陷對(duì)鈦合金各種性能的影響機(jī)制，能夠?yàn)殚_(kāi)發(fā)抗輻照損傷鈦合金提供新的思路和方法。

本文綜述目前鈦合金輻照損傷的研究進(jìn)展，歸納總結(jié)鈦合金在輻照損傷效應(yīng)下缺陷演化過(guò)程及其形成機(jī)理，分析輻照損傷缺陷對(duì)性能的影響，探討當(dāng)前鈦合金輻照損傷研究的局限性以及提高鈦合金抗輻照損傷性能的發(fā)展方向。

1 輻照損傷缺陷表征

鈦合金輻照組織缺陷研究主要集中在點(diǎn)缺陷、位錯(cuò)、層錯(cuò)四面體、輻照腫脹、空洞、輻照誘導(dǎo)偏析及輻照誘導(dǎo)析出相等[3]。鈦合金原子受高能粒子輻照之后，晶格原子會(huì)脫離原本的平衡位置產(chǎn)生晶格畸變，從而在晶體內(nèi)部形成各種復(fù)雜的缺陷結(jié)構(gòu)，并且缺陷的種類、密度、大小以及性質(zhì)往往與輻照條件以及材料性質(zhì)有關(guān)。

1.1 點(diǎn)缺陷和位錯(cuò)

在輻照的初始階段或者較低的輻照強(qiáng)度下，鈦合金中的輻照缺陷主要是間隙原子和空位等點(diǎn)缺陷，隨著點(diǎn)缺陷濃度的增加，它們之間會(huì)由于彼此間的相互作用進(jìn)而演化為不同的缺陷團(tuán)簇結(jié)構(gòu)[20]。在高能粒子的碰撞下，晶格原子獲得的能量大于原子遷移能時(shí)，會(huì)離開(kāi)點(diǎn)陣位置，形成間隙原子。帶有能量的離位原子繼續(xù)碰撞其他晶體位置的原子，產(chǎn)生級(jí)聯(lián)效應(yīng)，從而出現(xiàn)大量的材料內(nèi)部Frankel 缺陷對(duì)。級(jí)聯(lián)碰撞產(chǎn)生的點(diǎn)缺陷達(dá)到一定飽和密度后，空位和間隙原子會(huì)運(yùn)動(dòng)聚集形成位錯(cuò)環(huán)和層錯(cuò)四面體。位錯(cuò)環(huán)和層錯(cuò)四面體的堆積會(huì)使得鈦合金組織內(nèi)部出現(xiàn)黑斑和位錯(cuò)網(wǎng)。對(duì)于鈦合金，相關(guān)研究證明輻照損傷缺陷類型、數(shù)量和大小受到輻照強(qiáng)度、合金中元素成分、溫度的影響[21-22]。

Zhu等[23]對(duì)Ti-44Al合金進(jìn)行室溫不同輻照通量的Kr2+離子輻照，在透射電子顯微鏡觀察中發(fā)現(xiàn)輻照強(qiáng)度對(duì)合金組織中輻照缺陷分布規(guī)律有比較大的影響。較低輻照強(qiáng)度下，界面出現(xiàn)少量的空位等點(diǎn)缺陷；隨著輻照強(qiáng)度增加2～3個(gè)數(shù)量級(jí)后，在γ-TiAl相內(nèi)間隙原子運(yùn)動(dòng)演化形成點(diǎn)缺陷、位錯(cuò)和面缺陷等，大部分面缺陷都伴有點(diǎn)缺陷尺寸增大(圖1)。缺陷密度和尺寸都隨著輻照強(qiáng)度的增大而增加。研究表明，輻照后合金中缺陷簇分別由間隙簇和堆垛層錯(cuò)演化而成。在室溫下間隙原子的擴(kuò)散速度比空位更快，因此缺陷簇在輻照作用下形成和長(zhǎng)大。位錯(cuò)纏結(jié)形成位錯(cuò)環(huán)圍繞在較大的間隙原子周圍。形成的較大間隙簇和層狀界面之間局部應(yīng)力增大，促進(jìn)堆垛層錯(cuò)的生成和運(yùn)動(dòng)。Doriot等[24]在430 ℃下進(jìn)行兩種不同的輻照劑量Ti2+離子輻照Ti6Al4V合金時(shí)也發(fā)現(xiàn)，輻照劑量的增加促進(jìn)組織中空位和間隙原子的聚集，導(dǎo)致型位錯(cuò)環(huán)的密度和尺寸都顯著增加。研究表明，輻照后級(jí)聯(lián)碰撞出現(xiàn)的點(diǎn)缺陷由于擴(kuò)散和分離作用會(huì)產(chǎn)生更大的缺陷（型位錯(cuò)環(huán)），而輻照劑量的增加一定程度上擴(kuò)大了缺陷的分布范圍和數(shù)量。

圖1 輻照劑量對(duì)Kr 離子輻照Ti-44Al鈦合金缺陷類型的影響[23] （a） 位錯(cuò)線；（b） 微小的點(diǎn)缺陷；（c）點(diǎn)缺陷和短的面缺陷；（d） 點(diǎn)缺陷和面缺陷尺寸和數(shù)量增加；（e） 點(diǎn)缺陷和面缺陷聚集長(zhǎng)大；（f）、（g） 點(diǎn)缺陷尺寸增加但數(shù)量減少，面缺陷尺寸和數(shù)量均增加；（h）、（i） 大量的面缺陷Fig. 1 Effect of irradiation dose on defect types of Ti-44Al titanium alloys irradiated by Kr ions[23] （a） dislocation lines; （b） tiny point defects; （c） point defects and short plane defects; （d） increased number and size of point and plane defects; （e）growing point and plane defects ; （f） ，（g） point defects increased in size but decreased in number, and surface defects increased in size and number; （h） ，（i） a large number of surface defects

不同合金元素組成的鈦合金會(huì)形成不同的穩(wěn)定相結(jié)構(gòu)（α相、β相和α+β相）。α相是密排六方立方晶格（HCP），而β相是體心立方晶格結(jié)構(gòu)（BCC）。研究證明，在較低輻照強(qiáng)度條件下，BCC結(jié)構(gòu)材料的輻照缺陷類型最終演化為以位錯(cuò)環(huán)為主。而面心立方結(jié)構(gòu)（FCC）材料的輻照缺陷與材料層錯(cuò)能密切相關(guān)。具有較低層錯(cuò)能的材料缺陷演化以層錯(cuò)四面體為主。當(dāng)輻照強(qiáng)度較低時(shí)，合金元素組成更復(fù)雜的合金一定程度上能夠削弱輻照引起的損傷缺陷。因?yàn)楹辖鹬斜然w原子尺寸大的原子更容易與空位結(jié)合，降低空位的數(shù)量以及間隙原子的運(yùn)動(dòng)頻率，從而控制缺陷的進(jìn)一步演化過(guò)程，減少輻照損傷缺陷[25-26]。

在輻照溫度影響損傷類型方面，Doriot等[24]還分別在300 ℃和430 ℃輻照溫度下對(duì)Ti6Al4V進(jìn)行重離子輻照研究，發(fā)現(xiàn)型位錯(cuò)環(huán)平均直徑增加主要?dú)w因于輻照溫度的增加（300 ℃到430 ℃）。缺陷的形成和演化主要受擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)力控制，溫度升高促進(jìn)了空位和間隙原子的運(yùn)動(dòng)，聚集長(zhǎng)大形成大尺寸空洞和位錯(cuò)環(huán)，缺陷密度下降。

由以上可知，輻照強(qiáng)度的高低、元素組成的復(fù)雜和輻照溫度的大小都控制空位與間隙原子相互作用，抑制其遷移聚集，并通過(guò)調(diào)控缺陷的尺寸和分布等機(jī)制，在一定程度上影響鈦合金的輻照損傷程度。

1.2 空洞和氦泡

Cawthorne等[27]在Dounreay核反應(yīng)堆中首次發(fā)現(xiàn)輻照誘導(dǎo)產(chǎn)生空洞現(xiàn)象，很多學(xué)者隨后研究了輻照材料的空洞行為，提出了輻照腫脹現(xiàn)象[28-29]。隨著輻照損傷程度的惡化，材料中除間隙原子運(yùn)動(dòng)外，空位會(huì)聚集形成空洞，其數(shù)量和尺寸的增加使材料的密度降低，體積膨脹，誘發(fā)輻照腫脹現(xiàn)象。輻照腫脹會(huì)造成金屬構(gòu)件易斷裂，同時(shí)加劇惡化其他輻照損傷。在外加載荷作用下，空洞可能發(fā)生長(zhǎng)大現(xiàn)象。盛鐘琦等[30]根據(jù)經(jīng)典電子理論分析了合金元素價(jià)電子結(jié)構(gòu)對(duì)輻照腫脹行為的影響，研究表明，出現(xiàn)輻照腫脹現(xiàn)象會(huì)產(chǎn)生大量的空位和間隙原子缺陷對(duì)，使得原子鍵斷裂。當(dāng)合金共價(jià)電子對(duì)越多，原子間結(jié)合力越強(qiáng)，抗輻照腫脹能力越強(qiáng)[31]。關(guān)于提高抗輻照腫脹性能的設(shè)計(jì)方面，目前研究主要通過(guò)調(diào)控合金元素來(lái)抑制輻照腫脹現(xiàn)象。Sekio等[32]認(rèn)為在合金中加入比基體原子尺寸更大的合金元素能夠有效地抑制輻照腫脹，因?yàn)槌叽绱蟮脑痈着c空位發(fā)生相互作用，增加空位和間隙原子之間的結(jié)合力，減少空位的產(chǎn)生與遷移，抑制空位的進(jìn)一步演化形成空洞，從而降低輻照腫脹率。

此外，輻照產(chǎn)生的中子與合金中原子核產(chǎn)生嬗變反應(yīng)，生成大量氫（H）和氦（H）。He原子極易在材料的空位處聚集形成氦和空位團(tuán)簇。隨著團(tuán)簇中氦原子的數(shù)量聚集，團(tuán)簇對(duì)基體原子產(chǎn)生排擠作用，基體原子離開(kāi)原位置形成Frenkel缺陷對(duì)。同時(shí)，新產(chǎn)生的空位繼續(xù)聚集He原子，促進(jìn)氦泡的形核與長(zhǎng)大，出現(xiàn)輻照腫脹現(xiàn)象[33–35]，且形成的間隙原子堆積在氦泡四周，進(jìn)一步演化成位錯(cuò)環(huán)的形式。在較高溫度下氦泡會(huì)主要通過(guò)遷移、合并以及高溫下Ostwald熟化等機(jī)制發(fā)生粗化。在輻照溫度對(duì)材料中空洞和氦泡的影響方面，Lear等[36]在不同輻照溫度下 （340～500 ℃） 對(duì)高純度α-鈦用氦氣進(jìn)行He離子注入，研究微觀組織中缺陷數(shù)量密度和形狀（氣泡與空洞）。通過(guò)對(duì)比分析不同輻照溫度下He離子輻照α-鈦的TEM圖像（圖2）得知，輻照溫度的增加 （0.32TM增加至0.40TM） 會(huì)引起平均氦腔（空洞和氦泡）直徑顯著增加，缺陷密度大幅度降低以及氣泡形狀由球形氣泡向多邊形氣泡轉(zhuǎn)變。輻照腫脹率從3.51%增加至27.0%，結(jié)果證明，提高輻照溫度會(huì)明顯誘發(fā)輻照腫脹現(xiàn)象。

圖2 不同輻照溫度對(duì)He離子輻照純鈦中氦泡數(shù)量和尺寸的影響[36] （a） 340 ℃大量細(xì)小的球形氦泡；（b） 410 ℃氦泡數(shù)量減少但尺寸增大；（c） 500 ℃大量氦泡聚集長(zhǎng)大形成多面體氦泡Fig. 2 Effect of irradiation temperature on number and size of helium bubbles in pure titanium irradiated by He ions[36] （a） tiny spherical helium bubbles at 340 ℃; （b） the number decreases and the size increases at 410 ℃；（c） spherical helium bubbles accumulate and grow to form polyhedral helium bubbles at 500 ℃

輻照后鈦合金中引入大量的缺陷（特別是空洞和氦泡）及輻照過(guò)程中α相向β相轉(zhuǎn)變，使得材料體積膨脹、密度降低，即發(fā)生輻照腫脹現(xiàn)象。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)β型鈦合金Ti-38644的抗腫脹性最佳；α型鈦合金Ti-6242S及Ti-5621S也具有較好的抗腫脹性，而α+β型Ti6Al4V鈦合金輻照后腫脹明顯，但相較于其他材料，鈦合金仍具備良好的抗腫脹性能。穩(wěn)定相的晶體結(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致擴(kuò)散速度的不同，β型鈦合金主要以BCC晶體結(jié)構(gòu)為主，具有較低的原子排列密度，從而擴(kuò)散速度較大且具有較小的位錯(cuò)釘扎效應(yīng)。加強(qiáng)合金中間隙原子和空位的擴(kuò)散再結(jié)合，抑制空洞等缺陷形核長(zhǎng)大和減少缺陷的數(shù)量和密度，從而抑制輻照腫脹；而α型鈦合金中的合金原子種類比α+β型Ti6Al4V合金多，原子尺寸較大的合金原子更容易與空位發(fā)生相互作用，從而降低空位遷移率和抑制空洞的形核長(zhǎng)大，一定程度上降低了材料的輻照腫脹率[37]。

1.3 輻照誘導(dǎo)偏析

鈦合金經(jīng)過(guò)輻照后，過(guò)飽和點(diǎn)缺陷會(huì)向材料的自由表面、空洞、位錯(cuò)、晶界和相界面處擴(kuò)散。由于點(diǎn)缺陷的擴(kuò)散作用，存在區(qū)域濃度梯度的合金元素會(huì)發(fā)生遷移再分配，導(dǎo)致合金元素聚集，這種現(xiàn)象稱為輻照誘導(dǎo)偏析（radiation-induced segregation,RIS）[38-41]。缺陷的運(yùn)動(dòng)使得合金元素向晶內(nèi)各處擴(kuò)散，而誘發(fā)輻照誘導(dǎo)偏析現(xiàn)象一般符合溶質(zhì)尺寸效應(yīng)規(guī)律。相比于Ti元素中，晶格過(guò)小元素例如V、Mo、Al等會(huì)向陷穴（sinks）偏聚；而晶格過(guò)大的元素例如Zr等會(huì)偏離陷穴。Nb、Ta的晶格稍大，很少或幾乎不偏析，但也有特殊情況例如Sn在Ti中屬于晶格過(guò)大元素，卻很少偏析。

目前針對(duì)輻照誘導(dǎo)偏析的形成機(jī)制的研究主要提出了兩種觀點(diǎn)。一種為空位形成機(jī)制，即柯肯達(dá)爾機(jī)制。溶質(zhì)原子與空位遷移的相互作用是引起RIS的主因。在輻照作用下，不同合金元素與空位發(fā)生置換的能力不同，擴(kuò)散速度較快的合金元素原子先與空位發(fā)生交換且向晶體內(nèi)部各處擴(kuò)散；而擴(kuò)散速度較慢的原子會(huì)聚集沉淀在缺陷處，如空位和位錯(cuò)等，從而出現(xiàn)元素的富集和貧乏。另外一種機(jī)制是通過(guò)間隙原子的相互作用，導(dǎo)致合金原子的不規(guī)律偏聚。在形成間隙原子和空位缺陷對(duì)的過(guò)程中，間隙原子遷移時(shí)會(huì)優(yōu)先與遇到的小尺寸溶質(zhì)原子形成原子團(tuán)，至晶界處團(tuán)聚，出現(xiàn)晶界處元素富集。第二種機(jī)制的適用性更小，而實(shí)際鈦合金在輻照作用下會(huì)同時(shí)出現(xiàn)空位和間隙原子的擴(kuò)散。此缺陷對(duì)都可以與鈦合金原子發(fā)生相互作用，兩種機(jī)制是相互耦合的關(guān)系。

元素偏析影響輻照后鈦合金的相分布，促進(jìn)第二相沉淀析出，其與輻照劑量、輻照源和溫度等密切相關(guān)。如中子輻照后Ti6Al4V中的α相析出有序α2相或ω相或β相。離子輻照后Ti-14.4Al和Ti-8Al-1Mo-1V中在缺陷穴上優(yōu)先形成有序α2相；Ti-38644經(jīng)輻照后也析出α相。Ishida等[42]利用中微子在低溫下對(duì)β型鈦合金Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn進(jìn)行輻照，發(fā)現(xiàn)合金中析出了高密度的納米尺度馬氏體α′相和ω相。同時(shí)，原子探針掃描圖像顯示，輻照前后鈦合金在＜5 nm的空間尺度內(nèi)的成分波動(dòng)，Ti元素分布存在達(dá)到10 %（原子分?jǐn)?shù)）的最大振幅波動(dòng)。在鈦合金輻照缺陷的演化過(guò)程中，Ti元素出現(xiàn)成分偏析，并且從β相中析出納米級(jí)析出相。Doriot等[24]在不同的溫度、劑量和通量條件下對(duì)Ti6Al4V進(jìn)行Ti離子輻照研究，利用透射電子顯微鏡和原子探針斷層掃描技術(shù)對(duì)缺陷進(jìn)行了量化和化學(xué)顯微分析。結(jié)果顯示，除了型位錯(cuò)環(huán)外，在輻照后還觀察到在α相內(nèi)存在細(xì)小富V的β相。富V的β相的形成是由過(guò)飽和α相的分解引起的，逆Kirkendall效應(yīng)可以增強(qiáng)溶質(zhì)的局部偏析[43]。V是一種小尺寸溶質(zhì)原子，且擴(kuò)散速度比Al原子慢。在輻照誘導(dǎo)偏析的雙重耦合作用機(jī)制下，擴(kuò)散較快的V原子在間隙擴(kuò)散的拖拽作用下出現(xiàn)局部偏析，從而析出富V β相（圖3）[44]。形核速率對(duì)溫度也很敏感。研究證明，當(dāng)輻照溫度降低時(shí)，點(diǎn)狀缺陷的擴(kuò)散速度會(huì)減小，因此析出相的形核率高但生長(zhǎng)速度緩慢；同時(shí)證明析出相尺寸的增加和密度隨著輻照溫度的升高而降低[45]。

圖3 3 dpa中子輻照劑量下Ti6Al4V中不同的輻照缺陷 （a）富V析出相[44]；（b） 納米析出相[37]； （c） 300 ℃下的V元素偏聚[24]；（d） 430 ℃下的V元素偏聚[24]Fig. 3 Different irradiation defects in Ti6Al4V at 3dpa neutron irradiation dose （a） V-rich precipitates [44] ; （b） nano-precipitates [37];（c） V element segregation at 300 ℃[24]； （d） V element segregation at 430 ℃[24]

2 輻照損傷對(duì)性能的影響規(guī)律

輻照會(huì)誘發(fā)晶界成分偏析并引起位錯(cuò)環(huán)、第二相、空洞等微觀結(jié)構(gòu)變化，進(jìn)而引起輻照硬化、輻照脆化、輻照蠕變等力學(xué)性能的變化[46]。輻照損傷效應(yīng)是金屬材料宏觀力學(xué)性能研究的主要關(guān)注點(diǎn)，主要集中于輻照劑量、輻照源種類和輻照溫度對(duì)輻照材料微觀組織結(jié)構(gòu)以及力學(xué)性能的影響。在高能粒子作用下，金屬材料受輻照后的力學(xué)性能主要體現(xiàn)為輻照硬化、輻照脆化以及功硬化系數(shù)下降等[47]。

2.1 輻照硬化

輻照硬化主要是金屬材料經(jīng)輻照產(chǎn)生的高密度缺陷導(dǎo)致的。鈦合金的晶格原子受到高能中子和離子的撞擊后，會(huì)演化形成大量輻照缺陷且發(fā)生輻照誘導(dǎo)偏析現(xiàn)象[48-49]。當(dāng)受到外力作用下發(fā)生塑性變形時(shí)，輻照損傷缺陷和析出相會(huì)成為位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，使位錯(cuò)滑移難以進(jìn)行，增加鈦合金的強(qiáng)度與硬度從而導(dǎo)致輻照硬化。輻照硬化的研究可分為4個(gè)不同的尺度：原子尺度、亞晶粒尺度(位錯(cuò)線尺度)、晶粒尺度以及宏觀樣品尺度[50]。間隙原子和空位對(duì)位錯(cuò)滑移的產(chǎn)生阻礙作用，但是由于尺寸很小難以觀察到，目前關(guān)于其與輻照硬化關(guān)系的相關(guān)定量研究很少。位錯(cuò)環(huán)通過(guò)拖拽作用阻礙位錯(cuò)滑移，為弱作用力輻照缺陷。空洞通過(guò)Russell-Brown 機(jī)制切割位錯(cuò)線造成阻礙作用，作用力比位錯(cuò)環(huán)稍強(qiáng)。而析出相通過(guò)Orowan 機(jī)制作用，使得位錯(cuò)無(wú)法切過(guò)，堆積在析出相周圍，為強(qiáng)作用力輻照缺陷。在輻照損傷對(duì)鈦合金的輻照硬化的影響方面，Ishida等[42]對(duì)比未輻照樣品和輻照樣品的維氏顯微硬度，證明經(jīng)過(guò)中子輻照的Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn維氏顯微硬度增量為20HV。維氏顯微硬度小幅增加，這與輻照后鈦合金中高密度的缺陷以及高密度（> 1023m?3）1～2 nm 的沉淀物析出有關(guān)。高密度的位錯(cuò)和精細(xì)彌散分布的析出物/顆粒阻礙塑性變形過(guò)程中位錯(cuò)滑移，材料硬度提高。

在輻照強(qiáng)度和溫度對(duì)輻照硬化的影響方面，Tahtinen等[51]對(duì)Ti6Al4V和Ti5A12.5Sn進(jìn)行了一系列輻照實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)小輻照劑量下（0.001 dpa）材料發(fā)生軟化，強(qiáng)度稍有減低，但塑性增加；隨著輻照劑量的增加，材料的屈服應(yīng)力會(huì)不斷上升，加工硬化能力降低，均勻伸長(zhǎng)率降低。高溫下輻照硬化更為顯著，但加工硬化能力損失程度降低，材料經(jīng)輻照后斷裂韌性有所降低。Tao等[33]研究5 MeV 氦離子輻照層狀結(jié)構(gòu)的45XD TiAl合金硬度的影響。合金表面在輻照劑量約1dpa下形成17 μm 的均勻氦離子損傷區(qū)。在合金內(nèi)部結(jié)構(gòu)的 α2和 γ 相中都可以清楚地觀察到氦空位簇和小氦氣泡在內(nèi)的輻射損傷缺陷。通過(guò)納米壓痕測(cè)量了損傷片層的硬度，在室溫下輻照的樣品，硬度從 5.6 GPa 增加到8.5 GPa，出現(xiàn)明顯的輻照硬化現(xiàn)象。此外，Marmy等[37]的研究結(jié)果同樣驗(yàn)證了輻照產(chǎn)生的硬化取決于照射粒子的類型和能量，也取決于照射材料的結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分。質(zhì)子輻照后的Ti6Al4V在室溫下的極限應(yīng)力增加到300 MPa，產(chǎn)生明顯的輻照硬化。而Ti5Al2.5Sn在低溫輻照下主要是屈服應(yīng)力降低，而極限應(yīng)力變化不大，這與應(yīng)變硬化能力的強(qiáng)烈降低有關(guān)，且由于位錯(cuò)遷移率降低，輻射硬化效應(yīng)在α+β相鈦合金中的影響比α相鈦合金大。因此，Ti6Al4V的輻照硬化效果更加明顯。在α鈦合金中，低溫輻照可降低應(yīng)變硬化性能。在兩種不同的鈦合金中觀察到的不同輻照硬化效果是由于其化學(xué)成分不同。Ti5Al2.5Sn的較弱輻照硬化是由于α相中存在的Al元素（5%），Al元素易于促進(jìn)位錯(cuò)遷移弱化輻照硬化，而Ti6Al4V中V元素誘導(dǎo)析出細(xì)小β相會(huì)形成高密度的位錯(cuò)環(huán)，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。因此，合金成分的差異是造成鈦合金輻照后行為的巨大差異的原因之一。

2.2 輻照脆化

輻照損傷缺陷除了引起輻照硬化現(xiàn)象，還會(huì)造成輻照脆化。這主要是經(jīng)過(guò)輻照后，材料內(nèi)部缺陷的聚集（尤其是晶界處）使得晶界強(qiáng)度下降。在外加應(yīng)力的作用下易形成裂紋，從而造成晶界斷裂，降低了材料的伸長(zhǎng)率，這種輻照損傷效應(yīng)是輻照脆化。輻照脆化引起的硬化和晶界強(qiáng)度下降會(huì)導(dǎo)致鈦合金的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度（ductile-to-brittle transition temperature，DBTT）升高，降低輻照材料服役壽命。Tahtinen等[45]研究Ti6Al4V經(jīng)過(guò)約0.3 dpa劑量和不同溫度（60～350 ℃）輻照后的拉伸斷裂行為，發(fā)現(xiàn)隨著輻照溫度從 60 ℃ 升高到 350 ℃時(shí)，Ti6Al4V的屈服強(qiáng)度從大約 996 MPa 降低到大約520 MPa。而同樣的輻照溫度下，輻照后的材料伸長(zhǎng)率均有明顯的降低（未輻照約18%，輻照后約10%）。溫度最高時(shí)（350 ℃） ，輻照后Ti6Al4V的屈服強(qiáng)度隨輻照劑量增加的提升幅度最大，并且沒(méi)有跡象表明屈服強(qiáng)度達(dá)到飽和，在150 ℃的輻照溫度下開(kāi)始出現(xiàn)塑性不穩(wěn)定。α+β相鈦合金在 60 ℃輻照溫度和0.3 dpa 劑量水平的中子輻照后的微觀結(jié)構(gòu)由均勻分布的高密度缺陷簇組成，析出相總體位錯(cuò)或相結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生任何變化。在 350 ℃ 下以0.3 dpa 的劑量水平輻照會(huì)導(dǎo)致在 α 相中析出密集的富V沉淀物。此外，Singh等[52]在室溫下研究了在約1018ncm?2的低通量快中子輻照劑量對(duì)Ti6Al4V拉伸性能的影響。拉伸強(qiáng)度和延長(zhǎng)性都隨著中子輻照劑量的增加而下降。并且當(dāng)輻照劑量增加至1.2×1018ncm?2或更高時(shí)，Ti6Al4V的伸長(zhǎng)率基本保持不變。這證明在室溫下，輻照劑量對(duì)鈦合金的輻照脆化有著一定的飽和性。

2.3 輻照蠕變

輻照損傷對(duì)鈦合金的影響除了輻照硬化和輻照脆化，還存在一定的輻照蠕變。蠕變是一種應(yīng)力長(zhǎng)時(shí)間作用下產(chǎn)生的不可逆變形。而輻照蠕變會(huì)使得輻照材料的熱蠕變速率增加，甚至在無(wú)熱蠕變條件下出現(xiàn)蠕變[53-54]。根據(jù)輻照產(chǎn)生的缺陷簇（位錯(cuò)環(huán)和空洞）的形核溫度的高低，可將輻照蠕變分為低溫蠕變和高溫蠕變。其臨界溫度一般為形成空洞缺陷的最低溫度。低溫輻照蠕變時(shí)，位錯(cuò)網(wǎng)釘扎段攀移導(dǎo)致的瞬態(tài)蠕變和空位環(huán)塌陷導(dǎo)致的穩(wěn)態(tài)蠕變同時(shí)存在，且符合Hesketh等[55-56]提出的瞬態(tài)輻照蠕變模型機(jī)制。高溫輻照蠕變時(shí)，主要存在因定向應(yīng)力導(dǎo)致間隙位錯(cuò)環(huán)在某一晶面上形核引起位錯(cuò)攀移形成塞積群，隨后通過(guò)滑移擴(kuò)展導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)蠕變。在大部分的鈦合金中，高溫輻照蠕變的主要變形機(jī)制是位錯(cuò)蠕變。在應(yīng)力和溫度的影響下，產(chǎn)生位錯(cuò)移動(dòng)，從而導(dǎo)致材料永久性變形。輻照損傷產(chǎn)生的缺陷簇（位錯(cuò)環(huán)和空洞）的密度和尺寸主要受到輻照溫度和輻照劑量的影響。缺陷簇的運(yùn)動(dòng)需要熱能激活，所以高溫輻照下擴(kuò)散速度加快有助于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)[57-58]。因此，缺陷的形成演化及遷移是鈦合金在高溫蠕變變形中微觀結(jié)構(gòu)和相組成變化的關(guān)鍵因素。

Nygren[59]在 450 ℃溫度下對(duì)Ti-6Al-4V（在三種熱處理?xiàng)l件下）、Ti-6242S、Ti-5621S 和 Ti-15-333四種鈦合金進(jìn)行輻照，測(cè)量輻照蠕變量。研究結(jié)果證明，Ti-5621S的蠕變強(qiáng)度最大，Ti-15-333經(jīng)過(guò)雙相退火后蠕變強(qiáng)度最小，α合金具有比β合金更佳的輻照蠕變強(qiáng)度。Magnusson等[60]對(duì)比了未輻照和He離子輻照Ti-46Al-2W-0.5Si合金的蠕變性能（圖4（a）和（b））。未輻照處理的TiAl合金的蠕變曲線符合正常的蠕變狀態(tài)。而輻照樣品在更短的第二階段內(nèi)發(fā)生斷裂且?guī)缀跷闯霈F(xiàn)第三階段曲線。輻照蠕變斷裂時(shí)間和斷裂伸長(zhǎng)率受輻照劑量的影響。未輻照合金的蠕變失效是由于沿晶界和穿晶相界形成空洞和裂紋而產(chǎn)生的，氦離子輻照引起的脆化可能會(huì)進(jìn)一步加速裂紋的萌生，出現(xiàn)高溫蠕變現(xiàn)象。Chen 等[61]的研究表明輻照蠕變應(yīng)變行為表現(xiàn)出明顯的瞬態(tài)行為，幾乎與溫度無(wú)關(guān)，具有應(yīng)力依賴性。在熱蠕變變形期間，缺陷在遷移過(guò)程中會(huì)在路徑上遇到阻礙，從而降低其遷移速度并導(dǎo)致材料強(qiáng)化。鈦合金中的各種微結(jié)構(gòu)會(huì)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，圖4（c）為T(mén)iAl合金層狀的層狀相和微觀結(jié)構(gòu)特征。

圖4 在 1073 K 和 200 MPa 下TiAl 合金[60] （a） 未輻照的蠕變曲線； （b） He離子輻照后的蠕變曲線；（c）層狀相和微觀結(jié)構(gòu)特征Fig. 4 TiAl alloys at 1073 K and 200 MPa[60] （a） unirradiated creep curves；（b） creep curves after He ion-irradiated；（c） layered phase composition and microstructural characteristics

3 抗輻照性能改善途徑

鈦合金輻照環(huán)境中受到的輻照損傷主要體現(xiàn)在材料的內(nèi)部腫脹(空洞和氦泡)、偏析、相轉(zhuǎn)變、硬化、脆化、蠕變等方面[62-64]。輻照對(duì)材料性能損傷的主要原因是缺陷的演化和聚集，導(dǎo)致材料內(nèi)部微觀組織結(jié)構(gòu)變化。因此，鈦合金的抗輻照性能研究集中在輻照后材料的內(nèi)部缺陷演化和運(yùn)動(dòng)行為控制等方面。輻照缺陷濃度受缺陷形成條件、遷移聚集和陷阱吸收等影響[65]。通過(guò)合金成分和材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可阻礙缺陷形成和演化、運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散以及俘獲輻照缺陷，降低輻照后鈦合金中缺陷濃度。在鈦合金的輻照損傷過(guò)程中，微觀結(jié)構(gòu)特征和相成分可以主動(dòng)延緩缺陷的移動(dòng)，從而提高材料性能。微觀結(jié)構(gòu)組分對(duì)鈦合金輻射損傷過(guò)程的影響機(jī)理如圖5(a)和(b)所示[57]。合金中大量的析出相粒子對(duì)位錯(cuò)產(chǎn)生釘扎作用，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，并且長(zhǎng)的相界面也會(huì)阻止其繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，析出相和相界面可以作為缺陷陷阱來(lái)吸收間隙原子和空位，從而阻止缺陷進(jìn)一步擴(kuò)散。當(dāng)缺陷陷阱處的空位數(shù)量達(dá)到臨界飽和值時(shí)，多余的空位就會(huì)繼續(xù)長(zhǎng)大和形核，演化形成空洞。長(zhǎng)大的空洞會(huì)遷移到其他的陷阱處被吸收。大量的缺陷在遷移過(guò)程中被優(yōu)化的微結(jié)構(gòu)所吸收，極大降低了合金組織結(jié)構(gòu)中空洞的數(shù)量和尺寸，增強(qiáng)了鈦合金的抗輻射損傷能力。因此，設(shè)計(jì)能夠阻礙缺陷移動(dòng)的微觀結(jié)構(gòu)特征可以增強(qiáng)材料的抗輻射損傷能力。

圖5 微觀結(jié)構(gòu)對(duì)鈦合金輻照損傷的影響機(jī)理[57] （a） 阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)； （b） 對(duì)缺陷運(yùn)動(dòng)的影響Fig. 5 Effect mechanism of microstructure on radiation damage of titanium alloy[57] （a） obstructing dislocation movement；（b） influence on defect movement

在鈦合金成分方面，通過(guò)調(diào)控合金元素的含量，利用多主元性可改變材料的本征屬性（如材料熱導(dǎo)率、缺陷形成能、遷移能及擴(kuò)散路徑等），這些性質(zhì)可影響和控制鈦合金中缺陷的生成和短程復(fù)合過(guò)程[66-68]。因此，到目前為止，鈦合金的抗輻照機(jī)制研究主要在于明確微觀成分結(jié)構(gòu)（成分含量和相組成）帶來(lái)的材料本征屬性的改變以及材料本征屬性如何影響輻照下缺陷的生成和短程復(fù)合過(guò)程，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)抗輻照性能的調(diào)控。Amroussia等[69]證明B（或者TiB）的引入并不影響鈦合金的輻照效應(yīng)。輻照硬化存在使得鈦合金的耐磨性得到顯著改善。輻照硬化與材料本身的晶體類型、微觀結(jié)構(gòu)以及外載環(huán)境（輻照劑量和溫度）等因素密切相關(guān)。對(duì)于不同晶體結(jié)構(gòu)的金屬材料（面心立方結(jié)構(gòu)或者體心立方結(jié)構(gòu)），其總體趨勢(shì)是一致的，但是當(dāng)材料的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，其輻照特性將發(fā)生明顯變化[70]。

受到晶界（孿晶界或相界）的影響，輻照產(chǎn)生的缺陷往往容易遷移到晶界進(jìn)而被吸收，耗盡晶界附近的缺陷，形成缺陷耗散區(qū)[65,71-74]。因此，擁有較大比例晶界的超細(xì)晶鈦合金材料表現(xiàn)出良好的抗輻照性能。隨著近些年微納米技術(shù)的發(fā)展，具有微、納結(jié)構(gòu)的金屬材料展現(xiàn)出優(yōu)于傳統(tǒng)多晶材料的輻照力學(xué)性能。例如受超細(xì)晶材料較大比例晶界的影響，晶粒內(nèi)部輻照缺陷比相同輻照條件下的多晶材料的缺陷密度小，體現(xiàn)出良好的抗輻照性能，但是超細(xì)晶材料自身的延展性不佳，故將限制其在抗輻照材料中的應(yīng)用[75-78]。對(duì)于具有孿生界面的納米孿晶材料而言，其特有的孿生界面使其同樣具有良好的抗輻照特性，同時(shí)孿晶材料的延展性能良好，使其具有發(fā)展成為下一代抗輻照材料的潛能。

隨著實(shí)驗(yàn)研究及理論研究的不斷深入，通過(guò)控制鈦合金材料內(nèi)部的界面可以俘獲輻照產(chǎn)生的點(diǎn)缺陷，加速空位與間隙原子的復(fù)合，能有效降低輻照缺陷的集聚，在一定程度上抑制輻照損傷[79-80]。因此，通過(guò)鈦合金微觀組織界面調(diào)控，在其內(nèi)部引入高密度的界面作為輻照缺陷的陷阱，可以有效調(diào)控材料的抗輻照損傷能力，保持材料在核輻照環(huán)境下的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能的穩(wěn)定性。然而，界面與輻照缺陷的交互作用強(qiáng)烈地依賴于界面的特征和輻照缺陷的類型，因此，闡明界面與缺陷的交互作用機(jī)理對(duì)調(diào)控材料中輻照缺陷的形態(tài)、設(shè)計(jì)輻照損傷鈦合金材料至關(guān)重要。

4 結(jié)語(yǔ)與展望

鈦合金中合金元素組成、輻照劑量和輻照溫度對(duì)輻照缺陷形成、運(yùn)動(dòng)和演化有著巨大的影響。通過(guò)調(diào)控合金元素可以改變輻照缺陷遷移能和形成能，影響輻照誘導(dǎo)偏析的程度。輻照劑量和溫度的提高都會(huì)促進(jìn)的缺陷的運(yùn)動(dòng)和演化，最終形成空洞和位錯(cuò)環(huán)等缺陷。輻照鈦合金由于晶界成分偏析以及位錯(cuò)環(huán)、沉淀相、空洞等微觀組織的改變，導(dǎo)致產(chǎn)生輻照硬化、輻照脆化和輻照蠕變等效應(yīng)。一定的輻照損傷程度下，強(qiáng)度和硬度提升的同時(shí)會(huì)出現(xiàn)韌性下降。輻照對(duì)鈦合金性能的影響主要受到輻照損傷缺陷的控制，而輻照機(jī)械響應(yīng)相關(guān)研究主要集中在輻照腫脹、位錯(cuò)密度、相分布及析出相行為等。從微觀尺度深入研究不同元素含量和微觀結(jié)構(gòu)特征是提高鈦合金抗輻照能力的理論依據(jù)，提高鈦合金抗輻照能力的研究需要集中在以下幾個(gè)方面：

（1）輻照損傷與鈦合金內(nèi)部組織缺陷演化機(jī)理及其交互作用還處于探究階段，缺乏系統(tǒng)性科學(xué)性的研究工作。本研究總結(jié)了至目前為止的幾種輻照損傷效應(yīng)對(duì)鈦合金微觀組織和性能與不同類型輻照缺陷的交互作用過(guò)程和機(jī)理, 但是要全面解釋輻照損傷和鈦合金抗輻照性能調(diào)控機(jī)制，仍需要實(shí)驗(yàn)環(huán)境和表征技術(shù)等諸多方面的研究。

（2）輻照損傷鈦合金的微觀組織內(nèi)部會(huì)首先形成點(diǎn)缺陷，而點(diǎn)缺陷的準(zhǔn)確定量分析測(cè)量手段還很匱乏，存在很大的技術(shù)瓶頸。點(diǎn)缺陷的形成、遷移、聚集和演化程度影響材料的抗輻照損傷能力。在高密度輻照條件下，點(diǎn)缺陷演化形成空洞和氦泡等輻照缺陷，以及組織微觀元素成分變化影響力學(xué)性能的轉(zhuǎn)變。目前相關(guān)測(cè)試技術(shù)觀察原子尺度點(diǎn)缺陷的演化過(guò)程非常困難，只能輔助計(jì)算模擬方法結(jié)合理論分析手段進(jìn)行研究。因此，相關(guān)原子尺寸的分析測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，對(duì)于輻照鈦合金內(nèi)部點(diǎn)缺陷的演化規(guī)律研究有著至關(guān)重要的作用。

（3）鈦合金作為聚變反應(yīng)堆材料在極端條件下(高輻照劑量和高溫)會(huì)出現(xiàn)輻照硬化、輻照脆化和輻照蠕變等輻照效應(yīng)。在高輻照劑量和溫度下，輻照缺陷演化形成空洞和氦泡等。一定尺寸的輻照缺陷在外力作用下會(huì)成為裂紋源，惡化材料力學(xué)性能。此外，輻照缺陷與位錯(cuò)發(fā)生相互作用，阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，且可能出現(xiàn)交滑移和攀移，影響輻照材料宏觀力學(xué)性能。深入研究輻照缺陷與位錯(cuò)相互作用的機(jī)理，分析輻照效應(yīng)對(duì)鈦合金宏觀力學(xué)性能的影響具有重要的指導(dǎo)性意義。

（4）相對(duì)于不銹鋼等傳統(tǒng)輻照合金材料，部分鈦合金在一定的輻照條件下，在抗輻照腫脹、抑制空洞和氦泡、性能穩(wěn)定性等方面具有優(yōu)勢(shì)。缺陷調(diào)控能力和抗輻照性能的提高可以通過(guò)改變不同的相組成以及微觀構(gòu)型來(lái)實(shí)現(xiàn)。不同相組成鈦合金展現(xiàn)不同抗輻照能力，元素Al有促進(jìn)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的能力。相比于傳統(tǒng)多晶材料，設(shè)計(jì)納米結(jié)構(gòu)材料具有高能量界面結(jié)構(gòu)、高密度納米尺度通道和高應(yīng)力場(chǎng)，這有利于輻照缺陷的吸收和湮滅。通過(guò)設(shè)計(jì)不同尺度的界面結(jié)構(gòu)，形成有效的缺陷陷阱，可開(kāi)發(fā)出抗輻照性能更高的鈦合金輻照材料。