中子辐照对镍基合金的影响：PM‑HIP 与锻造的比较研究

为什么更安全的反应堆金属很重要

未来的核电站必须在苛刻环境下运行数十年：高温、强辐射和腐蚀性冷却剂。将结构件连结在一起的金属部件必须在持续轰击下保持强度并避免开裂。如今，许多此类部件由传统锻造制成，但一种称为粉末冶金结合热等静压（PM‑HIP）的新途径承诺能以更低成本制备近成形的零件并减少内部缺陷。本研究提出了一个简单但关键的问题：在真实反应堆类似的中子辐照下，PM‑HIP 制备的金属能否与锻造件表现一样好，甚至更优？

两种制备相同金属的途径

研究者聚焦于两种镍基合金，工业上称为 625 和 690，它们是先进反应堆关键结构件的有力候选材料。锻造工艺通常先铸造大块金属锭，再通过挤压和轧制成形；而 PM‑HIP 则从细金属粉末开始，将其封装后在高温高压下压实，直到烧结成致密固体。先前工作提示，PM‑HIP 制备的若干钢和镍合金在辐照下可能更耐受，但大多数测试只停留在低剂量水平。此处，研究团队将 PM‑HIP 与锻造的 625 和 690 直接比较，在约 400 °C 下暴露于中子辐照，并采用两个损伤水平来包围反应堆构件早期寿命的范围。

在中子轰击后测试强度

为了观察金属强度和延展性的变化，团队在室温下对小型圆柱样品进行了拉伸试验，分别在辐照前后进行测试。中子损伤通常使金属变硬且延展性下降，因为辐照会在晶格内产生微小的障碍。对于 625 合金，PM‑HIP 材料在两个损伤水平上都表现出明显较小的辐照诱导硬化，实际意义是 PM‑HIP 625 在断裂前保留了相当或更好的伸长能力。对于 690 合金，情况更为均衡：PM‑HIP 与锻造样品在强度增加和延性损失方面非常相似，尤其在较高损伤水平时它们的行为几乎趋于一致。

洞察金属的隐秘景观

单靠力学测试无法解释为何一种制备路线优于另一种，研究者因此转而使用高分辨显微镜与原子级探针。通过透射电子显微镜，他们统计并测量了辐照诱导的缺陷，如晶格中的微小环形缺陷、称为空穴的空腔以及小型堆垛错结构。在 625 合金中，PM‑HIP 样品形成的空腔尺寸大致相同，但空腔数量约为锻造件的十分之一，且环状缺陷在随剂量增多时维持较小尺寸。由于锻造金属起始具有更高密度的位错——吸引可迁移原子的线状缺陷——它更容易捕获空位并生长出更多空腔，这会使材料变脆变硬。然而在 690 合金中，PM‑HIP 与锻造样品在环状缺陷与空腔的组合上几乎相同，主要区别是 PM‑HIP 在较高剂量下空腔数略有减少，这也解释了为什么它们的宏观性能非常接近。

微小簇团与基于模型的见解

原子探针断层成像（一种绘制三维单个原子分布的技术）揭示了另一处细微差别。在 PM‑HIP 的 625 合金中，硅原子在辐照下聚集成纳米尺度的簇团，而锻造 625 及两种 690 形式在相同期望剂量下仅显示了极弱的簇集迹象。作者认为，整体成分以及辐照产生的环状缺陷的尺寸和密度差异决定了溶质原子（例如硅）如何迁移并聚集。他们随后使用一种常见的“分散屏障硬化”模型，将缺陷群体与强度联系起来，以估算每类缺陷——环状缺陷、空腔、堆垛错结构和簇团——对材料硬化的贡献。该模型重现了关键趋势：PM‑HIP 625 的硬化应小于锻造 625，而两种 690 的硬化量应相近，且在所有情况下空腔起主导作用。

这对未来反应堆意味着什么

对非专业读者来说，结论令人放心：用精心压制并加热烧结的粉末制造镍基反应堆部件并不会在中子轰击下削弱它们，甚至可以提高其抗损伤能力。对于 625 合金，PM‑HIP 工艺产生更“干净”的内部结构，抑制有害的辐照诱导空腔形成，使金属随着使用时间增长仍保持较好的强度与延展性。对于 690 合金，成分和缺陷行为使两种制备路线的差别变得模糊，PM‑HIP 至少能够与锻造匹敌。综上，这些发现支持 PM‑HIP 可为未来核电站提供大型复杂的镍合金零件，既有可能降低成本，又有助于反应堆长期可靠运行。

引用: Roy, R., Mondal, S., Clement, C.D. et al. Effects of neutron irradiation on Ni-based alloys: a comparative study between PM-HIP and forging. npj Adv. Manuf. 3, 17 (2026). https://doi.org/10.1038/s44334-026-00079-8

关键词: 核材料, 中子辐照, 镍合金, 粉末冶金, 等静压加热