突破西安交通大学研究人员发现锆合金辐照生长的关键位错环机制

2020-11-17 12:30:26

锆合金具有非常低的热中子俘获截面,优异的耐腐蚀性和抗高温蠕变等优点,被广泛用作核反应堆燃料外壳,压力管等关键部件。但长时间暴露于高能中子下,会使具有织构的锆合金零件发生不可逆的异性形状变化,即辐照生长。辐照生长极大地限制了锆合金的安全性和使用寿命。传统上认为高能粒子辐照产生的圆柱形间隙位错环和基区空位错环(c-loop)的异性分布是锆合金辐照生长的罪魁祸首。然而,大量实验研究发现,基面空位错环只有在达到一定的临界辐照条件时才能形成,基面位错环的尺寸通常大于13nm。这种现象难以解释锆合金辐照初期的辐照生长现象,也对传统的辐照生长机制提出了挑战。

图1锆基表面二维三角形空位缺陷

近日,西安交通大学材料学院韩伟忠教授发现纯锆在辐照初期形成了一种新的纳米级三角空位型缺陷,因此提出基区三角空位型缺陷是锆合金中基区位错环的前驱体。发现氦离子辐照纯锆中形成高密度位错环,极少位错环和大量二维三角形空位缺陷。圆柱体上分布着高密度间隙位错环,基面上分布着少数类型位错环和大量二维三角形空位缺陷。理论计算表明(如图2所示),具有特殊晶体学表面特征的二维三角空位型缺陷(三角边柱)在达到一定临界尺寸后可直接塌陷到基面空位型位错环中统计发现,二维三角空位型缺陷的尺寸一般在12纳米以下(如图1所示)。在二维三角形空位缺陷的形成过程中,锆合金中的微量元素起着非常重要的作用,如极少量的氢原子,可以大大降低锆的表面能。

图2:锆基位错环与二维三角空位片尺寸分布及弹性能的比较

通过设计一个相对较轻的辐照实验,从基表面的法向研究了材料在辐照开始时的微观缺陷特征,从实验的角度找出了基面空位位错环的形成机理,揭示了微量元素在空位位错环潜伏期中的关键作用,为理解和调控金属材料的辐照生长行为提供了关键依据。

相关工作发表在学术期刊自然通讯(NatureCommunications)上,题目是西安交通大学材料学院博士生刘思敏(two-dimensionalvacancyplateletsasprecursorsforbasaldislocationloopsinhexagonalzirconium.LiuSimian),他是论文的主要作者,韩伟中教授是论文作者,合作者包括加州大学圣巴巴拉分校(UniversityofCalifornia,SantaBarbara)的埃内贝耶林教授。这项工作得到了中国国家自然科学基金、国家重点研究开发项目和西安交通大学青年顶尖人才支持项目的共同资助。

链接到文件:https://www.nature.com/articles/s41467-020-19629-5

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