钛合金辐照损伤缺陷表征与性能调控研究进展

叶勇强, 韩远飞*, 赵 敏, 黄光法, 吕维洁

（1．上海交通大学 材料科学与工程学院 金属基复合材料国家重点实验室, 上海 200240；2．上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院, 上海 200240）

在高通量电离辐照的作用下，金属结构材料的晶格原子受到大量的高能粒子(离子、质子和中子等)碰撞后，会形成高密度的间隙原子和空位等晶体缺陷。这些点缺陷随着辐照作用的不断加深，逐渐迁移、聚集且演化形成多种尺度的缺陷团簇，出现位错环、层错四面体(stacking fault tetrahedron，SFT)和空洞等晶体缺陷[1-2]。同时，核裂变反应中产生的中子与合金内部原子相互作用，通过嬗变反应生产大量的氢(H)和氦(He)，与空位相结合形成气泡等缺陷[3-4]。在辐照损伤效应的作用下，金属结构材料物理和力学等性能出现明显的改变，出现辐照硬化、辐照脆化和辐照蠕变等。缺陷的演化伴随着材料组织成分和微观结构的变化，出现肿胀、成分偏析和析出相等现象[5-6]。这些辐照损伤效应最终会引起金属结构材料失效，对系统结构的稳定性和安全性产生重大的影响。

目前在核工业应用领域，广泛采用304L不锈钢作反应堆核心部件的材料。然而，由于辐照作用下材料的活化和质量下降，其应用往往受到很大的限制[7]。因此，使用一种能够显著降低活化和质量，同时具有相似机械强度和耐腐蚀性的材料至关重要。钛合金经辐照后活性比304L低，使用寿命更长，且密度低(4.51 g/cm3)，有更长的使用周期[1,4,8]。钛合金还具备良好的热物性、优异的机械性能和快速的放射性衰变性能，作为在核工业设备(如聚变反应堆及裂散中子源(SNS))部分组件的结构材料，有巨大的应用前景。目前钛合金如(Ti6Al4V和Ti5Al2.5Sn)被列为国际热核聚变实验堆(ITER)柔性机械连接件的重要备选材料[9]。双相钛合金(Ti6Al4V)以高的强韧性、良好的耐疲劳极限和较高的抗脉冲热冲击性，已经或将应用在如下构件：（1）日本质子加速器研究中心(J-PARC) 的中微子设备安全壳窗口靶材，强子设备的燃烧室窗口靶材；（2）费米国立加速器实验室(Fermilab)的长基线中微子设施的安全壳窗口靶材；（3）密歇根州立大学（MSU）的稀有同位素束流设施(FRIB)的束流收集器；（4）国际直线对撞机(ILC)的14MW主要的收集器束窗[10–13]。然而，钛合金作为核反应堆构件要受到大量高能粒子的作用，产生辐照损伤，影响材料的强塑/韧性和使用寿命。已有研究表明，钛合金在受到较低辐照损伤强度时，主要缺陷是位错环和空位；在较高辐照损伤强度时，主要的缺陷类型为空洞[14–17]。此外，由于钛合金具有出色的服役特性，已被应用于深海小型核动力系统钛合金耐压支承结构[18-19]。目前，国内外关于Ti6Al4V等钛合金的辐照损伤效应的相关研究十分有限。研究钛合金抗辐照损伤效应对核反应结构材料性能的影响是目前研究热点之一。系统了解辐照损伤缺陷对钛合金各种性能的影响机制，能够为开发抗辐照损伤钛合金提供新的思路和方法。

本文综述目前钛合金辐照损伤的研究进展，归纳总结钛合金在辐照损伤效应下缺陷演化过程及其形成机理，分析辐照损伤缺陷对性能的影响，探讨当前钛合金辐照损伤研究的局限性以及提高钛合金抗辐照损伤性能的发展方向。

1 辐照损伤缺陷表征

钛合金辐照组织缺陷研究主要集中在点缺陷、位错、层错四面体、辐照肿胀、空洞、辐照诱导偏析及辐照诱导析出相等[3]。钛合金原子受高能粒子辐照之后，晶格原子会脱离原本的平衡位置产生晶格畸变，从而在晶体内部形成各种复杂的缺陷结构，并且缺陷的种类、密度、大小以及性质往往与辐照条件以及材料性质有关。

1.1 点缺陷和位错

在辐照的初始阶段或者较低的辐照强度下，钛合金中的辐照缺陷主要是间隙原子和空位等点缺陷，随着点缺陷浓度的增加，它们之间会由于彼此间的相互作用进而演化为不同的缺陷团簇结构[20]。在高能粒子的碰撞下，晶格原子获得的能量大于原子迁移能时，会离开点阵位置，形成间隙原子。带有能量的离位原子继续碰撞其他晶体位置的原子，产生级联效应，从而出现大量的材料内部Frankel 缺陷对。级联碰撞产生的点缺陷达到一定饱和密度后，空位和间隙原子会运动聚集形成位错环和层错四面体。位错环和层错四面体的堆积会使得钛合金组织内部出现黑斑和位错网。对于钛合金，相关研究证明辐照损伤缺陷类型、数量和大小受到辐照强度、合金中元素成分、温度的影响[21-22]。

Zhu等[23]对Ti-44Al合金进行室温不同辐照通量的Kr2+离子辐照，在透射电子显微镜观察中发现辐照强度对合金组织中辐照缺陷分布规律有比较大的影响。较低辐照强度下，界面出现少量的空位等点缺陷；随着辐照强度增加2～3个数量级后，在γ-TiAl相内间隙原子运动演化形成点缺陷、位错和面缺陷等，大部分面缺陷都伴有点缺陷尺寸增大(图1)。缺陷密度和尺寸都随着辐照强度的增大而增加。研究表明，辐照后合金中缺陷簇分别由间隙簇和堆垛层错演化而成。在室温下间隙原子的扩散速度比空位更快，因此缺陷簇在辐照作用下形成和长大。位错缠结形成位错环围绕在较大的间隙原子周围。形成的较大间隙簇和层状界面之间局部应力增大，促进堆垛层错的生成和运动。Doriot等[24]在430 ℃下进行两种不同的辐照剂量Ti2+离子辐照Ti6Al4V合金时也发现，辐照剂量的增加促进组织中空位和间隙原子的聚集，导致型位错环的密度和尺寸都显著增加。研究表明，辐照后级联碰撞出现的点缺陷由于扩散和分离作用会产生更大的缺陷（型位错环），而辐照剂量的增加一定程度上扩大了缺陷的分布范围和数量。

图1 辐照剂量对Kr 离子辐照Ti-44Al钛合金缺陷类型的影响[23] （a） 位错线；（b） 微小的点缺陷；（c）点缺陷和短的面缺陷；（d） 点缺陷和面缺陷尺寸和数量增加；（e） 点缺陷和面缺陷聚集长大；（f）、（g） 点缺陷尺寸增加但数量减少，面缺陷尺寸和数量均增加；（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

不同合金元素组成的钛合金会形成不同的稳定相结构（α相、β相和α+β相）。α相是密排六方立方晶格（HCP），而β相是体心立方晶格结构（BCC）。研究证明，在较低辐照强度条件下，BCC结构材料的辐照缺陷类型最终演化为以位错环为主。而面心立方结构（FCC）材料的辐照缺陷与材料层错能密切相关。具有较低层错能的材料缺陷演化以层错四面体为主。当辐照强度较低时，合金元素组成更复杂的合金一定程度上能够削弱辐照引起的损伤缺陷。因为合金中比基体原子尺寸大的原子更容易与空位结合，降低空位的数量以及间隙原子的运动频率，从而控制缺陷的进一步演化过程，减少辐照损伤缺陷[25-26]。

在辐照温度影响损伤类型方面，Doriot等[24]还分别在300 ℃和430 ℃辐照温度下对Ti6Al4V进行重离子辐照研究，发现型位错环平均直径增加主要归因于辐照温度的增加（300 ℃到430 ℃）。缺陷的形成和演化主要受扩散驱动力控制，温度升高促进了空位和间隙原子的运动，聚集长大形成大尺寸空洞和位错环，缺陷密度下降。

由以上可知，辐照强度的高低、元素组成的复杂和辐照温度的大小都控制空位与间隙原子相互作用，抑制其迁移聚集，并通过调控缺陷的尺寸和分布等机制，在一定程度上影响钛合金的辐照损伤程度。

1.2 空洞和氦泡

Cawthorne等[27]在Dounreay核反应堆中首次发现辐照诱导产生空洞现象，很多学者随后研究了辐照材料的空洞行为，提出了辐照肿胀现象[28-29]。随着辐照损伤程度的恶化，材料中除间隙原子运动外，空位会聚集形成空洞，其数量和尺寸的增加使材料的密度降低，体积膨胀，诱发辐照肿胀现象。辐照肿胀会造成金属构件易断裂，同时加剧恶化其他辐照损伤。在外加载荷作用下，空洞可能发生长大现象。盛钟琦等[30]根据经典电子理论分析了合金元素价电子结构对辐照肿胀行为的影响，研究表明，出现辐照肿胀现象会产生大量的空位和间隙原子缺陷对，使得原子键断裂。当合金共价电子对越多，原子间结合力越强，抗辐照肿胀能力越强[31]。关于提高抗辐照肿胀性能的设计方面，目前研究主要通过调控合金元素来抑制辐照肿胀现象。Sekio等[32]认为在合金中加入比基体原子尺寸更大的合金元素能够有效地抑制辐照肿胀，因为尺寸大的原子更易与空位发生相互作用，增加空位和间隙原子之间的结合力，减少空位的产生与迁移，抑制空位的进一步演化形成空洞，从而降低辐照肿胀率。

此外，辐照产生的中子与合金中原子核产生嬗变反应，生成大量氢（H）和氦（H）。He原子极易在材料的空位处聚集形成氦和空位团簇。随着团簇中氦原子的数量聚集，团簇对基体原子产生排挤作用，基体原子离开原位置形成Frenkel缺陷对。同时，新产生的空位继续聚集He原子，促进氦泡的形核与长大，出现辐照肿胀现象[33–35]，且形成的间隙原子堆积在氦泡四周，进一步演化成位错环的形式。在较高温度下氦泡会主要通过迁移、合并以及高温下Ostwald熟化等机制发生粗化。在辐照温度对材料中空洞和氦泡的影响方面，Lear等[36]在不同辐照温度下 （340～500 ℃） 对高纯度α-钛用氦气进行He离子注入，研究微观组织中缺陷数量密度和形状（气泡与空洞）。通过对比分析不同辐照温度下He离子辐照α-钛的TEM图像（图2）得知，辐照温度的增加 （0.32TM增加至0.40TM） 会引起平均氦腔（空洞和氦泡）直径显著增加，缺陷密度大幅度降低以及气泡形状由球形气泡向多边形气泡转变。辐照肿胀率从3.51%增加至27.0%，结果证明，提高辐照温度会明显诱发辐照肿胀现象。

图2 不同辐照温度对He离子辐照纯钛中氦泡数量和尺寸的影响[36] （a） 340 ℃大量细小的球形氦泡；（b） 410 ℃氦泡数量减少但尺寸增大；（c） 500 ℃大量氦泡聚集长大形成多面体氦泡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 ℃

辐照后钛合金中引入大量的缺陷（特别是空洞和氦泡）及辐照过程中α相向β相转变，使得材料体积膨胀、密度降低，即发生辐照肿胀现象。相关研究发现β型钛合金Ti-38644的抗肿胀性最佳；α型钛合金Ti-6242S及Ti-5621S也具有较好的抗肿胀性，而α+β型Ti6Al4V钛合金辐照后肿胀明显，但相较于其他材料，钛合金仍具备良好的抗肿胀性能。稳定相的晶体结构差异导致扩散速度的不同，β型钛合金主要以BCC晶体结构为主，具有较低的原子排列密度，从而扩散速度较大且具有较小的位错钉扎效应。加强合金中间隙原子和空位的扩散再结合，抑制空洞等缺陷形核长大和减少缺陷的数量和密度，从而抑制辐照肿胀；而α型钛合金中的合金原子种类比α+β型Ti6Al4V合金多，原子尺寸较大的合金原子更容易与空位发生相互作用，从而降低空位迁移率和抑制空洞的形核长大，一定程度上降低了材料的辐照肿胀率[37]。

1.3 辐照诱导偏析

钛合金经过辐照后，过饱和点缺陷会向材料的自由表面、空洞、位错、晶界和相界面处扩散。由于点缺陷的扩散作用，存在区域浓度梯度的合金元素会发生迁移再分配，导致合金元素聚集，这种现象称为辐照诱导偏析（radiation-induced segregation,RIS）[38-41]。缺陷的运动使得合金元素向晶内各处扩散，而诱发辐照诱导偏析现象一般符合溶质尺寸效应规律。相比于Ti元素中，晶格过小元素例如V、Mo、Al等会向陷穴（sinks）偏聚；而晶格过大的元素例如Zr等会偏离陷穴。Nb、Ta的晶格稍大，很少或几乎不偏析，但也有特殊情况例如Sn在Ti中属于晶格过大元素，却很少偏析。

目前针对辐照诱导偏析的形成机制的研究主要提出了两种观点。一种为空位形成机制，即柯肯达尔机制。溶质原子与空位迁移的相互作用是引起RIS的主因。在辐照作用下，不同合金元素与空位发生置换的能力不同，扩散速度较快的合金元素原子先与空位发生交换且向晶体内部各处扩散；而扩散速度较慢的原子会聚集沉淀在缺陷处，如空位和位错等，从而出现元素的富集和贫乏。另外一种机制是通过间隙原子的相互作用，导致合金原子的不规律偏聚。在形成间隙原子和空位缺陷对的过程中，间隙原子迁移时会优先与遇到的小尺寸溶质原子形成原子团，至晶界处团聚，出现晶界处元素富集。第二种机制的适用性更小，而实际钛合金在辐照作用下会同时出现空位和间隙原子的扩散。此缺陷对都可以与钛合金原子发生相互作用，两种机制是相互耦合的关系。

元素偏析影响辐照后钛合金的相分布，促进第二相沉淀析出，其与辐照剂量、辐照源和温度等密切相关。如中子辐照后Ti6Al4V中的α相析出有序α2相或ω相或β相。离子辐照后Ti-14.4Al和Ti-8Al-1Mo-1V中在缺陷穴上优先形成有序α2相；Ti-38644经辐照后也析出α相。Ishida等[42]利用中微子在低温下对β型钛合金Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn进行辐照，发现合金中析出了高密度的纳米尺度马氏体α′相和ω相。同时，原子探针扫描图像显示，辐照前后钛合金在＜5 nm的空间尺度内的成分波动，Ti元素分布存在达到10 %（原子分数）的最大振幅波动。在钛合金辐照缺陷的演化过程中，Ti元素出现成分偏析，并且从β相中析出纳米级析出相。Doriot等[24]在不同的温度、剂量和通量条件下对Ti6Al4V进行Ti离子辐照研究，利用透射电子显微镜和原子探针断层扫描技术对缺陷进行了量化和化学显微分析。结果显示，除了型位错环外，在辐照后还观察到在α相内存在细小富V的β相。富V的β相的形成是由过饱和α相的分解引起的，逆Kirkendall效应可以增强溶质的局部偏析[43]。V是一种小尺寸溶质原子，且扩散速度比Al原子慢。在辐照诱导偏析的双重耦合作用机制下，扩散较快的V原子在间隙扩散的拖拽作用下出现局部偏析，从而析出富V β相（图3）[44]。形核速率对温度也很敏感。研究证明，当辐照温度降低时，点状缺陷的扩散速度会减小，因此析出相的形核率高但生长速度缓慢；同时证明析出相尺寸的增加和密度随着辐照温度的升高而降低[45]。

图3 3 dpa中子辐照剂量下Ti6Al4V中不同的辐照缺陷 （a）富V析出相[44]；（b） 纳米析出相[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 辐照损伤对性能的影响规律

辐照会诱发晶界成分偏析并引起位错环、第二相、空洞等微观结构变化，进而引起辐照硬化、辐照脆化、辐照蠕变等力学性能的变化[46]。辐照损伤效应是金属材料宏观力学性能研究的主要关注点，主要集中于辐照剂量、辐照源种类和辐照温度对辐照材料微观组织结构以及力学性能的影响。在高能粒子作用下，金属材料受辐照后的力学性能主要体现为辐照硬化、辐照脆化以及功硬化系数下降等[47]。

2.1 辐照硬化

辐照硬化主要是金属材料经辐照产生的高密度缺陷导致的。钛合金的晶格原子受到高能中子和离子的撞击后，会演化形成大量辐照缺陷且发生辐照诱导偏析现象[48-49]。当受到外力作用下发生塑性变形时，辐照损伤缺陷和析出相会成为位错运动的阻力，使位错滑移难以进行，增加钛合金的强度与硬度从而导致辐照硬化。辐照硬化的研究可分为4个不同的尺度：原子尺度、亚晶粒尺度(位错线尺度)、晶粒尺度以及宏观样品尺度[50]。间隙原子和空位对位错滑移的产生阻碍作用，但是由于尺寸很小难以观察到，目前关于其与辐照硬化关系的相关定量研究很少。位错环通过拖拽作用阻碍位错滑移，为弱作用力辐照缺陷。空洞通过Russell-Brown 机制切割位错线造成阻碍作用，作用力比位错环稍强。而析出相通过Orowan 机制作用，使得位错无法切过，堆积在析出相周围，为强作用力辐照缺陷。在辐照损伤对钛合金的辐照硬化的影响方面，Ishida等[42]对比未辐照样品和辐照样品的维氏显微硬度，证明经过中子辐照的Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn维氏显微硬度增量为20HV。维氏显微硬度小幅增加，这与辐照后钛合金中高密度的缺陷以及高密度（> 1023m−3）1～2 nm 的沉淀物析出有关。高密度的位错和精细弥散分布的析出物/颗粒阻碍塑性变形过程中位错滑移，材料硬度提高。

在辐照强度和温度对辐照硬化的影响方面，Tahtinen等[51]对Ti6Al4V和Ti5A12.5Sn进行了一系列辐照实验，发现小辐照剂量下（0.001 dpa）材料发生软化，强度稍有减低，但塑性增加；随着辐照剂量的增加，材料的屈服应力会不断上升，加工硬化能力降低，均匀伸长率降低。高温下辐照硬化更为显著，但加工硬化能力损失程度降低，材料经辐照后断裂韧性有所降低。Tao等[33]研究5 MeV 氦离子辐照层状结构的45XD TiAl合金硬度的影响。合金表面在辐照剂量约1dpa下形成17 μm 的均匀氦离子损伤区。在合金内部结构的 α2和 γ 相中都可以清楚地观察到氦空位簇和小氦气泡在内的辐射损伤缺陷。通过纳米压痕测量了损伤片层的硬度，在室温下辐照的样品，硬度从 5.6 GPa 增加到8.5 GPa，出现明显的辐照硬化现象。此外，Marmy等[37]的研究结果同样验证了辐照产生的硬化取决于照射粒子的类型和能量，也取决于照射材料的结构和化学成分。质子辐照后的Ti6Al4V在室温下的极限应力增加到300 MPa，产生明显的辐照硬化。而Ti5Al2.5Sn在低温辐照下主要是屈服应力降低，而极限应力变化不大，这与应变硬化能力的强烈降低有关，且由于位错迁移率降低，辐射硬化效应在α+β相钛合金中的影响比α相钛合金大。因此，Ti6Al4V的辐照硬化效果更加明显。在α钛合金中，低温辐照可降低应变硬化性能。在两种不同的钛合金中观察到的不同辐照硬化效果是由于其化学成分不同。Ti5Al2.5Sn的较弱辐照硬化是由于α相中存在的Al元素（5%），Al元素易于促进位错迁移弱化辐照硬化，而Ti6Al4V中V元素诱导析出细小β相会形成高密度的位错环，阻碍位错运动。因此，合金成分的差异是造成钛合金辐照后行为的巨大差异的原因之一。

2.2 辐照脆化

辐照损伤缺陷除了引起辐照硬化现象，还会造成辐照脆化。这主要是经过辐照后，材料内部缺陷的聚集（尤其是晶界处）使得晶界强度下降。在外加应力的作用下易形成裂纹，从而造成晶界断裂，降低了材料的伸长率，这种辐照损伤效应是辐照脆化。辐照脆化引起的硬化和晶界强度下降会导致钛合金的韧-脆转变温度（ductile-to-brittle transition temperature，DBTT）升高，降低辐照材料服役寿命。Tahtinen等[45]研究Ti6Al4V经过约0.3 dpa剂量和不同温度（60～350 ℃）辐照后的拉伸断裂行为，发现随着辐照温度从 60 ℃ 升高到 350 ℃时，Ti6Al4V的屈服强度从大约 996 MPa 降低到大约520 MPa。而同样的辐照温度下，辐照后的材料伸长率均有明显的降低（未辐照约18%，辐照后约10%）。温度最高时（350 ℃） ，辐照后Ti6Al4V的屈服强度随辐照剂量增加的提升幅度最大，并且没有迹象表明屈服强度达到饱和，在150 ℃的辐照温度下开始出现塑性不稳定。α+β相钛合金在 60 ℃辐照温度和0.3 dpa 剂量水平的中子辐照后的微观结构由均匀分布的高密度缺陷簇组成，析出相总体位错或相结构没有发生任何变化。在 350 ℃ 下以0.3 dpa 的剂量水平辐照会导致在 α 相中析出密集的富V沉淀物。此外，Singh等[52]在室温下研究了在约1018ncm−2的低通量快中子辐照剂量对Ti6Al4V拉伸性能的影响。拉伸强度和延长性都随着中子辐照剂量的增加而下降。并且当辐照剂量增加至1.2×1018ncm−2或更高时，Ti6Al4V的伸长率基本保持不变。这证明在室温下，辐照剂量对钛合金的辐照脆化有着一定的饱和性。

2.3 辐照蠕变

辐照损伤对钛合金的影响除了辐照硬化和辐照脆化，还存在一定的辐照蠕变。蠕变是一种应力长时间作用下产生的不可逆变形。而辐照蠕变会使得辐照材料的热蠕变速率增加，甚至在无热蠕变条件下出现蠕变[53-54]。根据辐照产生的缺陷簇（位错环和空洞）的形核温度的高低，可将辐照蠕变分为低温蠕变和高温蠕变。其临界温度一般为形成空洞缺陷的最低温度。低温辐照蠕变时，位错网钉扎段攀移导致的瞬态蠕变和空位环塌陷导致的稳态蠕变同时存在，且符合Hesketh等[55-56]提出的瞬态辐照蠕变模型机制。高温辐照蠕变时，主要存在因定向应力导致间隙位错环在某一晶面上形核引起位错攀移形成塞积群，随后通过滑移扩展导致稳态蠕变。在大部分的钛合金中，高温辐照蠕变的主要变形机制是位错蠕变。在应力和温度的影响下，产生位错移动，从而导致材料永久性变形。辐照损伤产生的缺陷簇（位错环和空洞）的密度和尺寸主要受到辐照温度和辐照剂量的影响。缺陷簇的运动需要热能激活，所以高温辐照下扩散速度加快有助于位错运动[57-58]。因此，缺陷的形成演化及迁移是钛合金在高温蠕变变形中微观结构和相组成变化的关键因素。

Nygren[59]在 450 ℃温度下对Ti-6Al-4V（在三种热处理条件下）、Ti-6242S、Ti-5621S 和 Ti-15-333四种钛合金进行辐照，测量辐照蠕变量。研究结果证明，Ti-5621S的蠕变强度最大，Ti-15-333经过双相退火后蠕变强度最小，α合金具有比β合金更佳的辐照蠕变强度。Magnusson等[60]对比了未辐照和He离子辐照Ti-46Al-2W-0.5Si合金的蠕变性能（图4（a）和（b））。未辐照处理的TiAl合金的蠕变曲线符合正常的蠕变状态。而辐照样品在更短的第二阶段内发生断裂且几乎未出现第三阶段曲线。辐照蠕变断裂时间和断裂伸长率受辐照剂量的影响。未辐照合金的蠕变失效是由于沿晶界和穿晶相界形成空洞和裂纹而产生的，氦离子辐照引起的脆化可能会进一步加速裂纹的萌生，出现高温蠕变现象。Chen 等[61]的研究表明辐照蠕变应变行为表现出明显的瞬态行为，几乎与温度无关，具有应力依赖性。在热蠕变变形期间，缺陷在迁移过程中会在路径上遇到阻碍，从而降低其迁移速度并导致材料强化。钛合金中的各种微结构会阻碍位错运动，图4（c）为TiAl合金层状的层状相和微观结构特征。

图4 在 1073 K 和 200 MPa 下TiAl 合金[60] （a） 未辐照的蠕变曲线； （b） He离子辐照后的蠕变曲线；（c）层状相和微观结构特征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 抗辐照性能改善途径

钛合金辐照环境中受到的辐照损伤主要体现在材料的内部肿胀(空洞和氦泡)、偏析、相转变、硬化、脆化、蠕变等方面[62-64]。辐照对材料性能损伤的主要原因是缺陷的演化和聚集，导致材料内部微观组织结构变化。因此，钛合金的抗辐照性能研究集中在辐照后材料的内部缺陷演化和运动行为控制等方面。辐照缺陷浓度受缺陷形成条件、迁移聚集和陷阱吸收等影响[65]。通过合金成分和材料结构设计可阻碍缺陷形成和演化、运动扩散以及俘获辐照缺陷，降低辐照后钛合金中缺陷浓度。在钛合金的辐照损伤过程中，微观结构特征和相成分可以主动延缓缺陷的移动，从而提高材料性能。微观结构组分对钛合金辐射损伤过程的影响机理如图5(a)和(b)所示[57]。合金中大量的析出相粒子对位错产生钉扎作用，阻碍位错运动，并且长的相界面也会阻止其继续运动。同时，析出相和相界面可以作为缺陷陷阱来吸收间隙原子和空位，从而阻止缺陷进一步扩散。当缺陷陷阱处的空位数量达到临界饱和值时，多余的空位就会继续长大和形核，演化形成空洞。长大的空洞会迁移到其他的陷阱处被吸收。大量的缺陷在迁移过程中被优化的微结构所吸收，极大降低了合金组织结构中空洞的数量和尺寸，增强了钛合金的抗辐射损伤能力。因此，设计能够阻碍缺陷移动的微观结构特征可以增强材料的抗辐射损伤能力。

图5 微观结构对钛合金辐照损伤的影响机理[57] （a） 阻碍位错运动； （b） 对缺陷运动的影响Fig. 5 Effect mechanism of microstructure on radiation damage of titanium alloy[57] （a） obstructing dislocation movement；（b） influence on defect movement

在钛合金成分方面，通过调控合金元素的含量，利用多主元性可改变材料的本征属性（如材料热导率、缺陷形成能、迁移能及扩散路径等），这些性质可影响和控制钛合金中缺陷的生成和短程复合过程[66-68]。因此，到目前为止，钛合金的抗辐照机制研究主要在于明确微观成分结构（成分含量和相组成）带来的材料本征属性的改变以及材料本征属性如何影响辐照下缺陷的生成和短程复合过程，进而实现对抗辐照性能的调控。Amroussia等[69]证明B（或者TiB）的引入并不影响钛合金的辐照效应。辐照硬化存在使得钛合金的耐磨性得到显著改善。辐照硬化与材料本身的晶体类型、微观结构以及外载环境（辐照剂量和温度）等因素密切相关。对于不同晶体结构的金属材料（面心立方结构或者体心立方结构），其总体趋势是一致的，但是当材料的微观结构发生变化时，其辐照特性将发生明显变化[70]。

受到晶界（孪晶界或相界）的影响，辐照产生的缺陷往往容易迁移到晶界进而被吸收，耗尽晶界附近的缺陷，形成缺陷耗散区[65,71-74]。因此，拥有较大比例晶界的超细晶钛合金材料表现出良好的抗辐照性能。随着近些年微纳米技术的发展，具有微、纳结构的金属材料展现出优于传统多晶材料的辐照力学性能。例如受超细晶材料较大比例晶界的影响，晶粒内部辐照缺陷比相同辐照条件下的多晶材料的缺陷密度小，体现出良好的抗辐照性能，但是超细晶材料自身的延展性不佳，故将限制其在抗辐照材料中的应用[75-78]。对于具有孪生界面的纳米孪晶材料而言，其特有的孪生界面使其同样具有良好的抗辐照特性，同时孪晶材料的延展性能良好，使其具有发展成为下一代抗辐照材料的潜能。

随着实验研究及理论研究的不断深入，通过控制钛合金材料内部的界面可以俘获辐照产生的点缺陷，加速空位与间隙原子的复合，能有效降低辐照缺陷的集聚，在一定程度上抑制辐照损伤[79-80]。因此，通过钛合金微观组织界面调控，在其内部引入高密度的界面作为辐照缺陷的陷阱，可以有效调控材料的抗辐照损伤能力，保持材料在核辐照环境下的微观结构和宏观性能的稳定性。然而，界面与辐照缺陷的交互作用强烈地依赖于界面的特征和辐照缺陷的类型，因此，阐明界面与缺陷的交互作用机理对调控材料中辐照缺陷的形态、设计辐照损伤钛合金材料至关重要。

4 结语与展望

钛合金中合金元素组成、辐照剂量和辐照温度对辐照缺陷形成、运动和演化有着巨大的影响。通过调控合金元素可以改变辐照缺陷迁移能和形成能，影响辐照诱导偏析的程度。辐照剂量和温度的提高都会促进的缺陷的运动和演化，最终形成空洞和位错环等缺陷。辐照钛合金由于晶界成分偏析以及位错环、沉淀相、空洞等微观组织的改变，导致产生辐照硬化、辐照脆化和辐照蠕变等效应。一定的辐照损伤程度下，强度和硬度提升的同时会出现韧性下降。辐照对钛合金性能的影响主要受到辐照损伤缺陷的控制，而辐照机械响应相关研究主要集中在辐照肿胀、位错密度、相分布及析出相行为等。从微观尺度深入研究不同元素含量和微观结构特征是提高钛合金抗辐照能力的理论依据，提高钛合金抗辐照能力的研究需要集中在以下几个方面：

（1）辐照损伤与钛合金内部组织缺陷演化机理及其交互作用还处于探究阶段，缺乏系统性科学性的研究工作。本研究总结了至目前为止的几种辐照损伤效应对钛合金微观组织和性能与不同类型辐照缺陷的交互作用过程和机理, 但是要全面解释辐照损伤和钛合金抗辐照性能调控机制，仍需要实验环境和表征技术等诸多方面的研究。

（2）辐照损伤钛合金的微观组织内部会首先形成点缺陷，而点缺陷的准确定量分析测量手段还很匮乏，存在很大的技术瓶颈。点缺陷的形成、迁移、聚集和演化程度影响材料的抗辐照损伤能力。在高密度辐照条件下，点缺陷演化形成空洞和氦泡等辐照缺陷，以及组织微观元素成分变化影响力学性能的转变。目前相关测试技术观察原子尺度点缺陷的演化过程非常困难，只能辅助计算模拟方法结合理论分析手段进行研究。因此，相关原子尺寸的分析测试技术的应用与发展，对于辐照钛合金内部点缺陷的演化规律研究有着至关重要的作用。

（3）钛合金作为聚变反应堆材料在极端条件下(高辐照剂量和高温)会出现辐照硬化、辐照脆化和辐照蠕变等辐照效应。在高辐照剂量和温度下，辐照缺陷演化形成空洞和氦泡等。一定尺寸的辐照缺陷在外力作用下会成为裂纹源，恶化材料力学性能。此外，辐照缺陷与位错发生相互作用，阻碍位错的运动，且可能出现交滑移和攀移，影响辐照材料宏观力学性能。深入研究辐照缺陷与位错相互作用的机理，分析辐照效应对钛合金宏观力学性能的影响具有重要的指导性意义。

（4）相对于不锈钢等传统辐照合金材料，部分钛合金在一定的辐照条件下，在抗辐照肿胀、抑制空洞和氦泡、性能稳定性等方面具有优势。缺陷调控能力和抗辐照性能的提高可以通过改变不同的相组成以及微观构型来实现。不同相组成钛合金展现不同抗辐照能力，元素Al有促进位错运动的能力。相比于传统多晶材料，设计纳米结构材料具有高能量界面结构、高密度纳米尺度通道和高应力场，这有利于辐照缺陷的吸收和湮灭。通过设计不同尺度的界面结构，形成有效的缺陷陷阱，可开发出抗辐照性能更高的钛合金辐照材料。