Temperature-dependent cavity swelling in dual-ion irradiated Fe and Fe-Cr ferritic alloys

材料科学 辐照 肿胀 的 离子 大气温度范围 合金 分析化学(期刊) 空位缺陷 冶金 放射化学 核化学 结晶学 复合材料 化学 有机化学 核物理学 气象学 物理 色谱法
作者
Yan-Ru Lin,Arunodaya Bhattacharya,Da Chen,Ji‐Jung Kai,J. Henry,S.J. Zinkle
出处
期刊:Acta Materialia [Elsevier BV]
卷期号:207: 116660-116660 被引量:55
标识
DOI:10.1016/j.actamat.2021.116660
摘要

Fe-Cr ferritic-martensitic (FM) steels are promising structural material candidates for fusion and advanced fission reactors due to their attractive mechanical properties and volumetric swelling resistance. However, significant discrepancies exist regarding the effect of solutes and irradiation temperature on cavity swelling under ion versus neutron irradiation conditions. In this study, simultaneous dual ion irradiations (8 MeV Ni3+ ions and energy-degraded 3.5 MeV He2+ ions) were used to quantify the cavity swelling behavior in ultra-high purity Fe and Fe-Cr alloys (3-14 wt.% Cr), Fe-10 wt.% Cr-780 wt.ppm C, and Eurofer97 FM steel. The irradiations were conducted over a wide temperature range (400-550°C) with a mid-range dose of ~30 displacements per atom (dpa) and 0.1 appm/dpa He implantation rate. Using state-of-the-art transmission electron microscopy (TEM), we reveal that pure Fe has a ~50°C lower peak swelling temperature difference than Fe-Cr alloys, which is attributed to higher vacancy mobility in pure Fe. Chromium solute appears to strongly suppress cavity swelling in Fe-Cr alloys for temperatures below ~470°C, but seems to have little effect or slightly enhances swelling above ~470°C. Cavities were observed in all the irradiated samples between 400-550°C. This indicates that the narrow temperature range of observable cavities reported in prior ion irradiated Fe-Cr ferritic alloy studies is likely an artifact associated with the use of low ion energies (<5 MeV), which leads to pronounced near-surface and implanted ion effects that suppress cavity swelling even at midrange depths (particularly at high temperatures).
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