鈦合金輻照損傷缺陷表征與性能調控研究進展

葉勇強, 韓遠飛*, 趙 敏, 黃光法, 呂維潔

（1．上海交通大學 材料科學與工程學院 金屬基復合材料國家重點實驗室, 上海 200240；2．上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院, 上海 200240）

在高通量電離輻照的作用下，金屬結構材料的晶格原子受到大量的高能粒子(離子、質子和中子等)碰撞后，會形成高密度的間隙原子和空位等晶體缺陷。這些點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簇，出現位錯環、層錯四面體(stacking fault tetrahedron，SFT)和空洞等晶體缺陷[1-2]。同時，核裂變反應中產生的中子與合金內部原子相互作用，通過嬗變反應生產大量的氫(H)和氦(He)，與空位相結合形成氣泡等缺陷[3-4]。在輻照損傷效應的作用下，金屬結構材料物理和力學等性能出現明顯的改變，出現輻照硬化、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構的變化，出現腫脹、成分偏析和析出相等現象[5-6]。這些輻照損傷效應最終會引起金屬結構材料失效，對系統結構的穩定性和安全性產生重大的影響。

目前在核工業應用領域，廣泛采用304L不銹鋼作反應堆核心部件的材料。然而，由于輻照作用下材料的活化和質量下降，其應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量，同時具有相似機械強度和耐腐蝕性的材料至關重要。鈦合金經輻照后活性比304L低，使用壽命更長，且密度低(4.51 g/cm3)，有更長的使用周期[1,4,8]。鈦合金還具備良好的熱物性、優異的機械性能和快速的放射性衰變性能，作為在核工業設備(如聚變反應堆及裂散中子源(SNS))部分組件的結構材料，有巨大的應用前景。目前鈦合金如(Ti6Al4V和Ti5Al2.5Sn)被列為國際熱核聚變實驗堆(ITER)柔性機械連接件的重要備選材料[9]。雙相鈦合金(Ti6Al4V)以高的強韌性、良好的耐疲勞極限和較高的抗脈沖熱沖擊性，已經或將應用在如下構件：（1）日本質子加速器研究中心(J-PARC) 的中微子設備安全殼窗口靶材，強子設備的燃燒室窗口靶材；（2）費米國立加速器實驗室(Fermilab)的長基線中微子設施的安全殼窗口靶材；（3）密歇根州立大學（MSU）的稀有同位素束流設施(FRIB)的束流收集器；（4）國際直線對撞機(ILC)的14MW主要的收集器束窗[10–13]。然而，鈦合金作為核反應堆構件要受到大量高能粒子的作用，產生輻照損傷，影響材料的強塑/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度時，主要缺陷是位錯環和空位；在較高輻照損傷強度時，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，已被應用于深海小型核動力系統鈦合金耐壓支承結構[18-19]。目前，國內外關于Ti6Al4V等鈦合金的輻照損傷效應的相關研究十分有限。研究鈦合金抗輻照損傷效應對核反應結構材料性能的影響是目前研究熱點之一。系統了解輻照損傷缺陷對鈦合金各種性能的影響機制，能夠為開發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展，歸納總結鈦合金在輻照損傷效應下缺陷演化過程及其形成機理，分析輻照損傷缺陷對性能的影響，探討當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缺陷、位錯、層錯四面體、輻照腫脹、空洞、輻照誘導偏析及輻照誘導析出相等[3]。鈦合金原子受高能粒子輻照之后，晶格原子會脫離原本的平衡位置產生晶格畸變，從而在晶體內部形成各種復雜的缺陷結構，并且缺陷的種類、密度、大小以及性質往往與輻照條件以及材料性質有關。

1.1 點缺陷和位錯

在輻照的初始階段或者較低的輻照強度下，鈦合金中的輻照缺陷主要是間隙原子和空位等點缺陷，隨著點缺陷濃度的增加，它們之間會由于彼此間的相互作用進而演化為不同的缺陷團簇結構[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，會離開點陣位置，形成間隙原子。帶有能量的離位原子繼續碰撞其他晶體位置的原子，產生級聯效應，從而出現大量的材料內部Frankel 缺陷對。級聯碰撞產生的點缺陷達到一定飽和密度后，空位和間隙原子會運動聚集形成位錯環和層錯四面體。位錯環和層錯四面體的堆積會使得鈦合金組織內部出現黑斑和位錯網。對于鈦合金，相關研究證明輻照損傷缺陷類型、數量和大小受到輻照強度、合金中元素成分、溫度的影響[21-22]。

Zhu等[23]對Ti-44Al合金進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現輻照強度對合金組織中輻照缺陷分布規律有比較大的影響。較低輻照強度下，界面出現少量的空位等點缺陷；隨著輻照強度增加2～3個數量級后，在γ-TiAl相內間隙原子運動演化形成點缺陷、位錯和面缺陷等，大部分面缺陷都伴有點缺陷尺寸增大(圖1)。缺陷密度和尺寸都隨著輻照強度的增大而增加。研究表明，輻照后合金中缺陷簇分別由間隙簇和堆垛層錯演化而成。在室溫下間隙原子的擴散速度比空位更快，因此缺陷簇在輻照作用下形成和長大。位錯纏結形成位錯環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力增大，促進堆垛層錯的生成和運動。Doriot等[24]在430 ℃下進行兩種不同的輻照劑量Ti2+離子輻照Ti6Al4V合金時也發現，輻照劑量的增加促進組織中空位和間隙原子的聚集，導致型位錯環的密度和尺寸都顯著增加。研究表明，輻照后級聯碰撞出現的點缺陷由于擴散和分離作用會產生更大的缺陷（型位錯環），而輻照劑量的增加一定程度上擴大了缺陷的分布范圍和數量。

圖1 輻照劑量對Kr 離子輻照Ti-44Al鈦合金缺陷類型的影響[23] （a） 位錯線；（b） 微小的點缺陷；（c）點缺陷和短的面缺陷；（d） 點缺陷和面缺陷尺寸和數量增加；（e） 點缺陷和面缺陷聚集長大；（f）、（g） 點缺陷尺寸增加但數量減少，面缺陷尺寸和數量均增加；（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形成不同的穩定相結構（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構（BCC）。研究證明，在較低輻照強度條件下，BCC結構材料的輻照缺陷類型最終演化為以位錯環為主。而面心立方結構（FCC）材料的輻照缺陷與材料層錯能密切相關。具有較低層錯能的材料缺陷演化以層錯四面體為主。當輻照強度較低時，合金元素組成更復雜的合金一定程度上能夠削弱輻照引起的損傷缺陷。因為合金中比基體原子尺寸大的原子更容易與空位結合，降低空位的數量以及間隙原子的運動頻率，從而控制缺陷的進一步演化過程，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Ti6Al4V進行重離子輻照研究，發現型位錯環平均直徑增加主要歸因于輻照溫度的增加（300 ℃到430 ℃）。缺陷的形成和演化主要受擴散驅動力控制，溫度升高促進了空位和間隙原子的運動，聚集長大形成大尺寸空洞和位錯環，缺陷密度下降。

由以上可知，輻照強度的高低、元素組成的復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，并通過調控缺陷的尺寸和分布等機制，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核反應堆中首次發現輻照誘導產生空洞現象，很多學者隨后研究了輻照材料的空洞行為，提出了輻照腫脹現象[28-29]。隨著輻照損傷程度的惡化，材料中除間隙原子運動外，空位會聚集形成空洞，其數量和尺寸的增加使材料的密度降低，體積膨脹，誘發輻照腫脹現象。輻照腫脹會造成金屬構件易斷裂，同時加劇惡化其他輻照損傷。在外加載荷作用下，空洞可能發生長大現象。盛鐘琦等[30]根據經典電子理論分析了合金元素價電子結構對輻照腫脹行為的影響，研究表明，出現輻照腫脹現象會產生大量的空位和間隙原子缺陷對，使得原子鍵斷裂。當合金共價電子對越多，原子間結合力越強，抗輻照腫脹能力越強[31]。關于提高抗輻照腫脹性能的設計方面，目前研究主要通過調控合金元素來抑制輻照腫脹現象。Sekio等[32]認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，因為尺寸大的原子更易與空位發生相互作用，增加空位和間隙原子之間的結合力，減少空位的產生與遷移，抑制空位的進一步演化形成空洞，從而降低輻照腫脹率。

此外，輻照產生的中子與合金中原子核產生嬗變反應，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簇。隨著團簇中氦原子的數量聚集，團簇對基體原子產生排擠作用，基體原子離開原位置形成Frenkel缺陷對。同時，新產生的空位繼續聚集He原子，促進氦泡的形核與長大，出現輻照腫脹現象[33–35]，且形成的間隙原子堆積在氦泡四周，進一步演化成位錯環的形式。在較高溫度下氦泡會主要通過遷移、合并以及高溫下Ostwald熟化等機制發生粗化。在輻照溫度對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 ℃） 對高純度α-鈦用氦氣進行He離子注入，研究微觀組織中缺陷數量密度和形狀（氣泡與空洞）。通過對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變。輻照腫脹率從3.51%增加至27.0%，結果證明，提高輻照溫度會明顯誘發輻照腫脹現象。

圖2 不同輻照溫度對He離子輻照純鈦中氦泡數量和尺寸的影響[36] （a） 340 ℃大量細小的球形氦泡；（b） 410 ℃氦泡數量減少但尺寸增大；（c） 500 ℃大量氦泡聚集長大形成多面體氦泡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）及輻照過程中α相向β相轉變，使得材料體積膨脹、密度降低，即發生輻照腫脹現象。相關研究發現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。穩定相的晶體結構差異導致擴散速度的不同，β型鈦合金主要以BCC晶體結構為主，具有較低的原子排列密度，從而擴散速度較大且具有較小的位錯釘扎效應。加強合金中間隙原子和空位的擴散再結合，抑制空洞等缺陷形核長大和減少缺陷的數量和密度，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生相互作用，從而降低空位遷移率和抑制空洞的形核長大，一定程度上降低了材料的輻照腫脹率[37]。

1.3 輻照誘導偏析

鈦合金經過輻照后，過飽和點缺陷會向材料的自由表面、空洞、位錯、晶界和相界面處擴散。由于點缺陷的擴散作用，存在區域濃度梯度的合金元素會發生遷移再分配，導致合金元素聚集，這種現象稱為輻照誘導偏析（radiation-induced segregation,RIS）[38-41]。缺陷的運動使得合金元素向晶內各處擴散，而誘發輻照誘導偏析現象一般符合溶質尺寸效應規律。相比于Ti元素中，晶格過小元素例如V、Mo、Al等會向陷穴（sinks）偏聚；而晶格過大的元素例如Zr等會偏離陷穴。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中屬于晶格過大元素，卻很少偏析。

目前針對輻照誘導偏析的形成機制的研究主要提出了兩種觀點。一種為空位形成機制，即柯肯達爾機制。溶質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生置換的能力不同，擴散速度較快的合金元素原子先與空位發生交換且向晶體內部各處擴散；而擴散速度較慢的原子會聚集沉淀在缺陷處，如空位和位錯等，從而出現元素的富集和貧乏。另外一種機制是通過間隙原子的相互作用，導致合金原子的不規律偏聚。在形成間隙原子和空位缺陷對的過程中，間隙原子遷移時會優先與遇到的小尺寸溶質原子形成原子團，至晶界處團聚，出現晶界處元素富集。第二種機制的適用性更小，而實際鈦合金在輻照作用下會同時出現空位和間隙原子的擴散。此缺陷對都可以與鈦合金原子發生相互作用，兩種機制是相互耦合的關系。

元素偏析影響輻照后鈦合金的相分布，促進第二相沉淀析出，其與輻照劑量、輻照源和溫度等密切相關。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中在缺陷穴上優先形成有序α2相；Ti-38644經輻照后也析出α相。Ishida等[42]利用中微子在低溫下對β型鈦合金Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn進行輻照，發現合金中析出了高密度的納米尺度馬氏體α′相和ω相。同時，原子探針掃描圖像顯示，輻照前后鈦合金在＜5 nm的空間尺度內的成分波動，Ti元素分布存在達到10 %（原子分數）的最大振幅波動。在鈦合金輻照缺陷的演化過程中，Ti元素出現成分偏析，并且從β相中析出納米級析出相。Doriot等[24]在不同的溫度、劑量和通量條件下對Ti6Al4V進行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對缺陷進行了量化和化學顯微分析。結果顯示，除了型位錯環外，在輻照后還觀察到在α相內存在細小富V的β相。富V的β相的形成是由過飽和α相的分解引起的，逆Kirkendall效應可以增強溶質的局部偏析[43]。V是一種小尺寸溶質原子，且擴散速度比Al原子慢。在輻照誘導偏析的雙重耦合作用機制下，擴散較快的V原子在間隙擴散的拖拽作用下出現局部偏析，從而析出富V β相（圖3）[44]。形核速率對溫度也很敏感。研究證明，當輻照溫度降低時，點狀缺陷的擴散速度會減小，因此析出相的形核率高但生長速度緩慢；同時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 輻照損傷對性能的影響規律

輻照會誘發晶界成分偏析并引起位錯環、第二相、空洞等微觀結構變化，進而引起輻照硬化、輻照脆化、輻照蠕變等力學性能的變化[46]。輻照損傷效應是金屬材料宏觀力學性能研究的主要關注點，主要集中于輻照劑量、輻照源種類和輻照溫度對輻照材料微觀組織結構以及力學性能的影響。在高能粒子作用下，金屬材料受輻照后的力學性能主要體現為輻照硬化、輻照脆化以及功硬化系數下降等[47]。

2.1 輻照硬化

輻照硬化主要是金屬材料經輻照產生的高密度缺陷導致的。鈦合金的晶格原子受到高能中子和離子的撞擊后，會演化形成大量輻照缺陷且發生輻照誘導偏析現象[48-49]。當受到外力作用下發生塑性變形時，輻照損傷缺陷和析出相會成為位錯運動的阻力，使位錯滑移難以進行，增加鈦合金的強度與硬度從而導致輻照硬化。輻照硬化的研究可分為4個不同的尺度：原子尺度、亞晶粒尺度(位錯線尺度)、晶粒尺度以及宏觀樣品尺度[50]。間隙原子和空位對位錯滑移的產生阻礙作用，但是由于尺寸很小難以觀察到，目前關于其與輻照硬化關系的相關定量研究很少。位錯環通過拖拽作用阻礙位錯滑移，為弱作用力輻照缺陷。空洞通過Russell-Brown 機制切割位錯線造成阻礙作用，作用力比位錯環稍強。而析出相通過Orowan 機制作用，使得位錯無法切過，堆積在析出相周圍，為強作用力輻照缺陷。在輻照損傷對鈦合金的輻照硬化的影響方面，Ishida等[42]對比未輻照樣品和輻照樣品的維氏顯微硬度，證明經過中子輻照的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。高密度的位錯和精細彌散分布的析出物/顆粒阻礙塑性變形過程中位錯滑移，材料硬度提高。

在輻照強度和溫度對輻照硬化的影響方面，Tahtinen等[51]對Ti6Al4V和Ti5A12.5Sn進行了一系列輻照實驗，發現小輻照劑量下（0.001 dpa）材料發生軟化，強度稍有減低，但塑性增加；隨著輻照劑量的增加，材料的屈服應力會不斷上升，加工硬化能力降低，均勻伸長率降低。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 氦離子輻照層狀結構的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。在合金內部結構的 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的輻射損傷缺陷。通過納米壓痕測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，出現明顯的輻照硬化現象。此外，Marmy等[37]的研究結果同樣驗證了輻照產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構和化學成分。質子輻照后的Ti6Al4V在室溫下的極限應力增加到300 MPa，產生明顯的輻照硬化。而Ti5Al2.5Sn在低溫輻照下主要是屈服應力降低，而極限應力變化不大，這與應變硬化能力的強烈降低有關，且由于位錯遷移率降低，輻射硬化效應在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元素易于促進位錯遷移弱化輻照硬化，而Ti6Al4V中V元素誘導析出細小β相會形成高密度的位錯環，阻礙位錯運動。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象，還會造成輻照脆化。這主要是經過輻照后，材料內部缺陷的聚集（尤其是晶界處）使得晶界強度下降。在外加應力的作用下易形成裂紋，從而造成晶界斷裂，降低了材料的伸長率，這種輻照損傷效應是輻照脆化。輻照脆化引起的硬化和晶界強度下降會導致鈦合金的韌-脆轉變溫度（ductile-to-brittle transition temperature，DBTT）升高，降低輻照材料服役壽命。Tahtinen等[45]研究Ti6Al4V經過約0.3 dpa劑量和不同溫度（60～350 ℃）輻照后的拉伸斷裂行為，發現隨著輻照溫度從 60 ℃ 升高到 350 ℃時，Ti6Al4V的屈服強度從大約 996 MPa 降低到大約520 MPa。而同樣的輻照溫度下，輻照后的材料伸長率均有明顯的降低（未輻照約18%，輻照后約10%）。溫度最高時（350 ℃） ，輻照后Ti6Al4V的屈服強度隨輻照劑量增加的提升幅度最大，并且沒有跡象表明屈服強度達到飽和，在150 ℃的輻照溫度下開始出現塑性不穩定。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構由均勻分布的高密度缺陷簇組成，析出相總體位錯或相結構沒有發生任何變化。在 350 ℃ 下以0.3 dpa 的劑量水平輻照會導致在 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Ti6Al4V拉伸性能的影響。拉伸強度和延長性都隨著中子輻照劑量的增加而下降。并且當輻照劑量增加至1.2×1018ncm?2或更高時，Ti6Al4V的伸長率基本保持不變。這證明在室溫下，輻照劑量對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。蠕變是一種應力長時間作用下產生的不可逆變形。而輻照蠕變會使得輻照材料的熱蠕變速率增加，甚至在無熱蠕變條件下出現蠕變[53-54]。根據輻照產生的缺陷簇（位錯環和空洞）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，位錯網釘扎段攀移導致的瞬態蠕變和空位環塌陷導致的穩態蠕變同時存在，且符合Hesketh等[55-56]提出的瞬態輻照蠕變模型機制。高溫輻照蠕變時，主要存在因定向應力導致間隙位錯環在某一晶面上形核引起位錯攀移形成塞積群，隨后通過滑移擴展導致穩態蠕變。在大部分的鈦合金中，高溫輻照蠕變的主要變形機制是位錯蠕變。在應力和溫度的影響下，產生位錯移動，從而導致材料永久性變形。輻照損傷產生的缺陷簇（位錯環和空洞）的密度和尺寸主要受到輻照溫度和輻照劑量的影響。缺陷簇的運動需要熱能激活，所以高溫輻照下擴散速度加快有助于位錯運動[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構和相組成變化的關鍵因素。

Nygren[59]在 450 ℃溫度下對Ti-6Al-4V（在三種熱處理條件下）、Ti-6242S、Ti-5621S 和 Ti-15-333四種鈦合金進行輻照，測量輻照蠕變量。研究結果證明，Ti-5621S的蠕變強度最大，Ti-15-333經過雙相退火后蠕變強度最小，α合金具有比β合金更佳的輻照蠕變強度。Magnusson等[60]對比了未輻照和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。而輻照樣品在更短的第二階段內發生斷裂且幾乎未出現第三階段曲線。輻照蠕變斷裂時間和斷裂伸長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生的，氦離子輻照引起的脆化可能會進一步加速裂紋的萌生，出現高溫蠕變現象。Chen 等[61]的研究表明輻照蠕變應變行為表現出明顯的瞬態行為，幾乎與溫度無關，具有應力依賴性。在熱蠕變變形期間，缺陷在遷移過程中會在路徑上遇到阻礙，從而降低其遷移速度并導致材料強化。鈦合金中的各種微結構會阻礙位錯運動，圖4（c）為TiAl合金層狀的層狀相和微觀結構特征。

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）層狀相和微觀結構特征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

鈦合金輻照環境中受到的輻照損傷主要體現在材料的內部腫脹(空洞和氦泡)、偏析、相轉變、硬化、脆化、蠕變等方面[62-64]。輻照對材料性能損傷的主要原因是缺陷的演化和聚集，導致材料內部微觀組織結構變化。因此，鈦合金的抗輻照性能研究集中在輻照后材料的內部缺陷演化和運動行為控制等方面。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]。通過合金成分和材料結構設計可阻礙缺陷形成和演化、運動擴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程中，微觀結構特征和相成分可以主動延緩缺陷的移動，從而提高材料性能。微觀結構組分對鈦合金輻射損傷過程的影響機理如圖5(a)和(b)所示[57]。合金中大量的析出相粒子對位錯產生釘扎作用，阻礙位錯運動，并且長的相界面也會阻止其繼續運動。同時，析出相和相界面可以作為缺陷陷阱來吸收間隙原子和空位，從而阻止缺陷進一步擴散。當缺陷陷阱處的空位數量達到臨界飽和值時，多余的空位就會繼續長大和形核，演化形成空洞。長大的空洞會遷移到其他的陷阱處被吸收。大量的缺陷在遷移過程中被優化的微結構所吸收，極大降低了合金組織結構中空洞的數量和尺寸，增強了鈦合金的抗輻射損傷能力。因此，設計能夠阻礙缺陷移動的微觀結構特征可以增強材料的抗輻射損傷能力。

圖5 微觀結構對鈦合金輻照損傷的影響機理[57] （a） 阻礙位錯運動； （b） 對缺陷運動的影響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，通過調控合金元素的含量，利用多主元性可改變材料的本征屬性（如材料熱導率、缺陷形成能、遷移能及擴散路徑等），這些性質可影響和控制鈦合金中缺陷的生成和短程復合過程[66-68]。因此，到目前為止，鈦合金的抗輻照機制研究主要在于明確微觀成分結構（成分含量和相組成）帶來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合過程，進而實現對抗輻照性能的調控。Amroussia等[69]證明B（或者TiB）的引入并不影響鈦合金的輻照效應。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、微觀結構以及外載環境（輻照劑量和溫度）等因素密切相關。對于不同晶體結構的金屬材料（面心立方結構或者體心立方結構），其總體趨勢是一致的，但是當材料的微觀結構發生變化時，其輻照特性將發生明顯變化[70]。

受到晶界（孿晶界或相界）的影響，輻照產生的缺陷往往容易遷移到晶界進而被吸收，耗盡晶界附近的缺陷，形成缺陷耗散區[65,71-74]。因此，擁有較大比例晶界的超細晶鈦合金材料表現出良好的抗輻照性能。隨著近些年微納米技術的發展，具有微、納結構的金屬材料展現出優于傳統多晶材料的輻照力學性能。例如受超細晶材料較大比例晶界的影響，晶粒內部輻照缺陷比相同輻照條件下的多晶材料的缺陷密度小，體現出良好的抗輻照性能，但是超細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用[75-78]。對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，同時孿晶材料的延展性能良好，使其具有發展成為下一代抗輻照材料的潛能。

隨著實驗研究及理論研究的不斷深入，通過控制鈦合金材料內部的界面可以俘獲輻照產生的點缺陷，加速空位與間隙原子的復合，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，通過鈦合金微觀組織界面調控，在其內部引入高密度的界面作為輻照缺陷的陷阱，可以有效調控材料的抗輻照損傷能力，保持材料在核輻照環境下的微觀結構和宏觀性能的穩定性。然而，界面與輻照缺陷的交互作用強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理對調控材料中輻照缺陷的形態、設計輻照損傷鈦合金材料至關重要。

4 結語與展望

鈦合金中合金元素組成、輻照劑量和輻照溫度對輻照缺陷形成、運動和演化有著巨大的影響。通過調控合金元素可以改變輻照缺陷遷移能和形成能，影響輻照誘導偏析的程度。輻照劑量和溫度的提高都會促進的缺陷的運動和演化，最終形成空洞和位錯環等缺陷。輻照鈦合金由于晶界成分偏析以及位錯環、沉淀相、空洞等微觀組織的改變，導致產生輻照硬化、輻照脆化和輻照蠕變等效應。一定的輻照損傷程度下，強度和硬度提升的同時會出現韌性下降。輻照對鈦合金性能的影響主要受到輻照損傷缺陷的控制，而輻照機械響應相關研究主要集中在輻照腫脹、位錯密度、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構特征是提高鈦合金抗輻照能力的理論依據，提高鈦合金抗輻照能力的研究需要集中在以下幾個方面：

（1）輻照損傷與鈦合金內部組織缺陷演化機理及其交互作用還處于探究階段，缺乏系統性科學性的研究工作。本研究總結了至目前為止的幾種輻照損傷效應對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程和機理, 但是要全面解釋輻照損傷和鈦合金抗輻照性能調控機制，仍需要實驗環境和表征技術等諸多方面的研究。

（2）輻照損傷鈦合金的微觀組織內部會首先形成點缺陷，而點缺陷的準確定量分析測量手段還很匱乏，存在很大的技術瓶頸。點缺陷的形成、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性能的轉變。目前相關測試技術觀察原子尺度點缺陷的演化過程非常困難，只能輔助計算模擬方法結合理論分析手段進行研究。因此，相關原子尺寸的分析測試技術的應用與發展，對于輻照鈦合金內部點缺陷的演化規律研究有著至關重要的作用。

（3）鈦合金作為聚變反應堆材料在極端條件下(高輻照劑量和高溫)會出現輻照硬化、輻照脆化和輻照蠕變等輻照效應。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成為裂紋源，惡化材料力學性能。此外，輻照缺陷與位錯發生相互作用，阻礙位錯的運動，且可能出現交滑移和攀移，影響輻照材料宏觀力學性能。深入研究輻照缺陷與位錯相互作用的機理，分析輻照效應對鈦合金宏觀力學性能的影響具有重要的指導性意義。

（4）相對于不銹鋼等傳統輻照合金材料，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、性能穩定性等方面具有優勢。缺陷調控能力和抗輻照性能的提高可以通過改變不同的相組成以及微觀構型來實現。不同相組成鈦合金展現不同抗輻照能力，元素Al有促進位錯運動的能力。相比于傳統多晶材料，設計納米結構材料具有高能量界面結構、高密度納米尺度通道和高應力場，這有利于輻照缺陷的吸收和湮滅。通過設計不同尺度的界面結構，形成有效的缺陷陷阱，可開發出抗輻照性能更高的鈦合金輻照材料。