鋯合金帶電離子輻照效應(yīng)及氦泡演化行為研究.pdf

1、核電技術(shù)發(fā)展至今已有60多年歷史，國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）2014年年度報(bào)告顯示，目前全球核電運(yùn)行機(jī)組共有434臺(tái)，其發(fā)電總量為371.7GW，約占世界發(fā)電總量的16％。隨著化石能源的逐漸消耗，全球能源變得十分稀缺。核能作為一種清潔能源，可以在滿足增加的電能需求的同時(shí)減少碳排放量，實(shí)現(xiàn)國(guó)家能源安全和可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)，因而核電技術(shù)的發(fā)展將會(huì)得到更高的重視。
　　核能工業(yè)的發(fā)展促進(jìn)了對(duì)適應(yīng)于反應(yīng)堆環(huán)境材料的研究與開(kāi)發(fā)，評(píng)估材料在核反

2、應(yīng)堆中的適用性能的主要標(biāo)準(zhǔn)為材料的機(jī)械強(qiáng)度和高溫水熱環(huán)境中的耐腐蝕性能。鋯及其合金具有較好的機(jī)械性能、較強(qiáng)的耐腐蝕性能、低的熱中子吸收截面等特性，因而被作為核能工業(yè)中的戰(zhàn)略材料，在核反應(yīng)堆中主要被用作結(jié)構(gòu)材料和燃料棒包殼等。反應(yīng)堆運(yùn)行時(shí)，鋯合金將受到中子束流及多種離子束、γ射線的輻照。輻照會(huì)導(dǎo)致鋯合金微觀結(jié)構(gòu)變化，進(jìn)而影響合金的機(jī)械性能和耐腐蝕性能，最終導(dǎo)致材料失效。因此，研究鋯合金的耐輻照性能具有重要意義。
　　自1984年中國(guó)

3、第一座核反應(yīng)堆通過(guò)技術(shù)鑒定以來(lái)，經(jīng)過(guò)30年在核電領(lǐng)域的快速發(fā)展，中國(guó)現(xiàn)已成為核電領(lǐng)域的先進(jìn)國(guó)家，由此增加了國(guó)家對(duì)優(yōu)質(zhì)鋯合金的需求和開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能鋯合金的緊迫性。N18鋯合金是一種中國(guó)自主研發(fā)的鋯合金，堆外性能測(cè)試結(jié)果證實(shí)N18具有更優(yōu)異的耐腐蝕性能、吸氫性能和力學(xué)性能。但是，對(duì)該合金的耐離子束輻照性能、氦泡的演化行為及其氫化行為的研究還很少。本文將從以上三個(gè)方面內(nèi)容展開(kāi)詳細(xì)研究，評(píng)估N18鋯合金的抗輻照性能、氦泡演化行為及

4、氫化行為，主要研究?jī)?nèi)容分為四個(gè)部分：
　?。?）研究了輻照溫度為360oC時(shí)2MeV的質(zhì)子束輻照N18鋯合金的輻照效應(yīng)，結(jié)果表明：鋯合金中的第二相粒子主要為密排六方結(jié)構(gòu)的Zr(Fe,Cr,Nb)2，輻照劑量達(dá)到3.9dpa時(shí)，第二相粒子開(kāi)始發(fā)生部分非晶化轉(zhuǎn)變，顆粒呈現(xiàn)出核殼結(jié)構(gòu)，即第二相粒子內(nèi)部為晶體，邊緣為非晶態(tài)；當(dāng)輻照劑量為8.2dpa時(shí)，第二相粒子發(fā)生完全非晶化轉(zhuǎn)變。對(duì)非晶化轉(zhuǎn)變前后的第二相粒子采用能譜儀進(jìn)行線掃描研究，結(jié)果

5、顯示第二相粒子發(fā)生非晶化轉(zhuǎn)變的機(jī)制與 Fe元素由第二相顆粒擴(kuò)散進(jìn)入基體緊密相關(guān)。
　?。?）在透射電子顯微鏡中原位研究了輻照溫度為310 oC時(shí)500keV的Ne離子束輻照N18鋯合金的輻照效應(yīng)，結(jié)果表明：N18鋯合金中第二相粒子Zr(Fe,Cr,Nb)2經(jīng)Ne離子輻照至0.5dpa時(shí)開(kāi)始發(fā)生非晶化轉(zhuǎn)變；當(dāng)輻照劑量增加至1.0dpa時(shí)，第二相粒子完全非晶化。此外，對(duì)完全非晶化后的第二相粒子進(jìn)行原位退火研究，結(jié)果顯示退火溫度為450

6、oC時(shí)第二相粒子開(kāi)始發(fā)生再結(jié)晶，并在溫度為600oC時(shí)完全結(jié)晶。完全結(jié)晶后形成的納米顆粒具有與輻照前Zr(Fe,Cr,Nb)2相同的密排六方結(jié)構(gòu)。此外，400keV的重離子Fe輻照N18鋯合金后會(huì)導(dǎo)致其顯微硬度增大，這是由于輻照在合金中產(chǎn)生大量的位錯(cuò)所致。
　?。?）采用離子注入方法在N18鋯合金中引入He離子，注入能量為400keV，研究了合金中形成的氦泡與注入劑量和輻照溫度的關(guān)系，以及加熱過(guò)程中原位研究氦泡的演化行為，結(jié)果表明

7、：合金中氦泡的尺寸隨輻照劑量的增加而增大，輻照溫度越高越有利于氦泡的長(zhǎng)大；氦泡的原位加熱研究結(jié)果顯示，溫度低于650oC時(shí)，氦泡的成長(zhǎng)速度緩慢，溫度高于650oC時(shí)，氦泡迅速長(zhǎng)大，氦泡的長(zhǎng)大遵循氣泡的遷移合并機(jī)制。此外，采用納米壓痕儀研究了鋯合金的顯微硬度與注氦量的關(guān)系，表明合金表層硬度值隨注氦量的增加而增大。
　?。?）在掃描電鏡中原位研究了 N18鋯合金的氫化反應(yīng)，系統(tǒng)中的氫來(lái)源于Ga離子束激發(fā)有機(jī)金屬氣體 MeCpPtIVM

8、e3分解。形成的鋯氫化物具有針狀形貌，面心立方結(jié)構(gòu)的δ-ZrH1.5-1.66。針狀的鋯氫化物鋯排列有序，并與鋯合金基體α-Zr具有[010]α//[1-10]δ，(001)α//(111)δ的外延取向關(guān)系。氫化物的形成被認(rèn)為與鋯合金內(nèi)應(yīng)力釋放導(dǎo)致的應(yīng)變驅(qū)動(dòng)力相關(guān)。在透射電子顯微鏡中采用選區(qū)電子衍射和電子能量損失譜原位研究了鋯氫化物的熱穩(wěn)定性，結(jié)果表明：加熱前鋯氫化物為δ-ZrH1.5-1.66相，溫度升高至450oC時(shí)，δ-ZrH1.