鋯合金析出相的結(jié)構(gòu)特征及形成過程研究.pdf

1、鋯合金擁有優(yōu)良的機械性能、耐腐蝕性能，與反應堆燃料有良好的相容性，適用于核反應堆包殼材料和結(jié)構(gòu)材料，一直以來是核電材料中的研究熱點。各國通過成分的調(diào)節(jié)以及工藝的改善等方法來推動新型鋯合金的發(fā)展，在這個過程中，合金內(nèi)部的析出相種類、數(shù)量、尺寸分布等特征都有顯著的變化。這種改變對合金的機械性能、耐高溫水腐蝕性能、蠕變性能、抗輻照性能等都有明顯的影響。因此，對鋯合金中析出相的重要特征包括晶體結(jié)構(gòu)、成分含量、缺陷結(jié)構(gòu)、生長規(guī)律等的研究至關(guān)重要。

2、本課題對目前應用廣泛的Zr-4合金、Zirlo合金中的析出相進行了分析，對其形成過程進行了探索。同時考察了氫化鋯在鋯合金中的主要存在形式，首次發(fā)現(xiàn)了δ氫化物內(nèi)部的生長孿晶，并結(jié)合形貌對其形成機制進行了熱力學、動力學關(guān)聯(lián)性分析。
　　實驗發(fā)現(xiàn)，Zr-4合金內(nèi)部的第二相種類較多，包括C14、C15型的laves相以及四方的Zr-Fe-Ni相。對比兩種laves相和基體的位相關(guān)系以及錯配度，分析了兩種相的穩(wěn)定性。通過對 C14結(jié)構(gòu)第二相

3、的 HRTEM分析得到了其內(nèi)部層錯缺陷的存在晶面以及和長周期結(jié)構(gòu)的形成。另外鋯合金中少量的Ni對Zr2Fe穩(wěn)定性的影響得到了證實。
　　通過人為的在Zr-4合金中引入H元素，研究了氫化物形成過程和形貌演變規(guī)律。Zr-4合金中的氫化物為δ型氫化物，慣習面是｛0001｝晶面族，大部分是長條狀的形貌并且平行排列。在初始生長階段。也發(fā)現(xiàn)了沿基體｛10(1)5｝晶面族生長的現(xiàn)象。此外我們還觀察到不規(guī)則塊狀的δ氫化物，并且首次發(fā)現(xiàn)了其中存在孿

4、晶結(jié)構(gòu)。形核驅(qū)動力、H濃度不均勻性和孿晶的結(jié)構(gòu)依賴性是該形貌形成的關(guān)鍵熱力學和動力學因素。
　　Zirlo合金中由于Nb的存在，析出相種類表現(xiàn)出新的特征，主要有C14型Zr-Fe-Nb和β-Nb兩種。文中對Zr-Fe-Nb相的成分和形成機制進行了討論，并確定了其堆垛層錯與基體以及析出相中位錯的聯(lián)系。球狀β-Nb相不均勻分布在晶粒中，與α基體相之間存在共格的界面。將Zr-Fe-Nb第二相進行放大后發(fā)現(xiàn)， Nb原子在C14結(jié)構(gòu)中會取代

5、Fe的位置。合金中Fe元素的富集有利于Ti2Ni型第二相的形成，隨著Nb/Fe原子比的增加有利于C14型第二相的形成，這對以后的新型鋯合金設計提供了參考。
　　對比兩個合金中的第二相可以發(fā)現(xiàn)，都存在laves型金屬間化合物。結(jié)合系列實驗我們可以得出一些共同的特征，即這些laves相和基體之間都存在位相關(guān)系，其形核過程都涉及到了晶格切變，而在后期的長大過程中，由于元素擴散速率不同，不同生長階段的化學成分會發(fā)生變化。這些發(fā)現(xiàn)對合金的制