论文标题：Engineering the Next Generation of Industrially Scalable Fusion-Grade Steels

论文链接：https://www.mdpi.com/2673-4362/7/1/1

期刊名： Journal of Nuclear Engineering

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/jne

未来聚变堆需要能够承受高冷却剂出口温度、机械载荷和辐照损伤的结构材料。低活化铁素体/马氏体（RAFM）钢是主要候选结构材料之一，但传统RAFM钢在550°C以上的高温服役性能受到限制，且国际上通常采用真空感应熔炼（VIM）加电渣重熔（ESR）或真空电弧重熔（VAR）路线生产，成本高、产量受限。针对这一问题，来自英国原子能管理局（UKAEA）的David Bowden等人牵头，联合斯旺西大学科学与工程学院、帝国理工学院机械工程系以及材料加工研究所（MPI）组成研究团队，在Journal of Nuclear Engineering发表研究成果，依托英国NEURONE（NEutron iRadiatiOn of advaNced stEels）计划，系统研究了采用电弧炉（EAF）技术制备的UK-RAFM钢及其改进型合金的微观组织与力学性能，致力于开发可工业规模化生产的聚变堆结构钢。

研究过程与结果

研究团队采用电弧炉（EAF）技术，成功制备了5.5吨级UK-RAFM钢坯，并通过连续铸造、锻造、轧制和热处理等工艺制成板材。随后，团队对UK-RAFM进行了改进的热机械处理（TMT），并设计了一种实验室规模的先进低活化铁素体/马氏体（ARAFM）钢，通过优化化学成分促进MX型析出相演化。研究采用SEM、EBSD、STEM-EDS及4D-STEM等手段对三种合金的微观组织进行表征，并通过拉伸、Charpy冲击和蠕变试验评估其力学性能，同时利用FISPACT-II进行放射性活化分析。

下图展示了UK-RAFM钢的STEM分析结果，包括明场STEM图像和STEM-EDS元素分布信号，清晰显示了沿原奥氏体晶界分布的M₂₃C₆碳化物以及富含Ta和V的MX型析出相。这些析出相的尺寸和分布与Eurofer97钢总体相近，表明采用EAF工艺制备的UK-RAFM具有与传统工艺制备材料相近的微观组织特征。研究结果表明，UK-RAFM钢的拉伸强度和蠕变寿命均优于Eurofer97，这主要归因于初始锻造工艺的差异。改进TMT后，UK-RAFM的拉伸强度进一步提升，尤其在650°C下表现显著，其析出相数密度较UK-RAFM提高约220倍。实验室ARAFM钢通过优化化学成分和TMT，展现了更高的析出相密度和高温强度潜力。然而，研究也指出，需进一步拓宽MX析出相完全溶解温度与δ-铁素体形成温度之间的加工窗口，以避免析出相过度粗化。

结论总结

研究表明，采用EAF技术可成功制备5.5吨级UK-RAFM钢坯，其拉伸强度和蠕变寿命优于Eurofer97，并具有良好的低活化特性。改进TMT可进一步显著提升强度，但需在韧性与强度之间取得平衡。实验室ARAFM钢通过化学成分与工艺优化，展现了更高的析出相密度和强度潜力，但加工窗口仍需拓宽。目前，团队已采用EAF设施制备了另一批5.5吨级ARAFM钢坯，性能将在后续报道中公布。这项工作凸显了合金设计、工艺优化与工业规模化之间的协同效应，为新一代低成本、高产量聚变级钢的制造奠定了基础。未来，相关方法可进一步应用于更复杂的合金成分与运行条件研究，为聚变堆结构材料的精细化设计与安全评价提供数据基础。

Bowden, D.; Evans, B.; Haley, J.; Johnson, J.; Carruthers, A.; Jones, S.; Hardwicke, D.; Abdullah, T.; Mehraban, S.; Lavery, N.; et al. Engineering the Next Generation of Industrially Scalable Fusion-Grade Steels. J. Nucl. Eng. 2026, 7, 1.

期刊介绍

主编：Dan Gabriel Cacuci, University of South Carolina, USA

期刊创刊于2020年, 最新Impact Factor 1.7，CiteScore 2.3，是一个国际开放获取期刊，发表同行评审的论文。期刊涵盖了与核和辐射过程的科学和应用相关的原创研究、想法和进展。发文类型包括original research papers, reviews, communications, brief reports, opinions, technical notes, editorials等。

截至目前，Journal of Nuclear Engineering期刊已被Scopus, ESCI (Web of Science), EBSCO等数据库收录。