锆合金在离子辐照下的微观结构及性能的研究

发布时间：2018-12-19 12:30

【摘要】：锆合金具有较低的热中子吸收截面、良好的耐蚀性能及适当的机械加工性能,在核电站中常被用作包壳材料。在堆内服役过程中,由于经受堆内高温高压水、应力、腐蚀介质及强烈中子辐照的作用,锆合金会发生微观结构及性能的变化,直接影响着锆合金包壳的服役行为,关系核电站的安全运行。研究锆合金在辐照下的微观结构演变规律与性能变化特点,有助于理解其辐照损伤机理,为设计和发展新型锆合金提供依据,满足不断增长的核工业发展要求。传统的中子辐照试验具有操作复杂、时间漫长、费用昂贵等特点,且样品具有放射性污染,为材料的组织分析与性能测试带来了挑战。基于离子辐照与中子辐照造成的损伤效应在某些方面的相似性,离子辐照被广泛用于模拟中子辐照损伤。相比中子辐照而言,离子辐照具有损伤率高、实验参数容易控制及样品分析测试容易进行等优点。本文以两种成分简单、耐蚀性能优良的合金Zr-1Nb和Zr-1Nb-0.05Cu为主要研究对象,并设计Zr-1Nb-0.5Cu合金,采用6.37MeVXe26+在室温和高温下进行离子辐照,利用慢正电子湮没装置、同步辐射掠入射X射线衍射装置、透射电子显微镜、纳米力学探针及热重分析仪等实验分析手段研究辐照过程中的微观结构演变与性能变化规律,揭示辐照后微观结构与性能的关系。所取得的结论主要有以下方面：(1)在纳米力学探针对材料进行微观力学性能的测试中,其测试结果普遍存在压痕尺寸效应。对未辐照Zr-1Nb-0.05Cu合金进行硬度、模量及压痕蠕变中的蠕变激活能和激活体积进行研究。研究结果表明,硬度、蠕变激活能和激活体积都存在压痕尺寸效应。硬度的压痕尺寸效应采用应变梯度塑性理论进行解释,通过Nix-Gao模型获得材料的特征硬度。压痕蠕变过程中的压痕尺寸效应主要是与变形机制的转变有关,当压痕位移较小时,蠕变的机理是通过压头尖端高密度的位错进行的扩散机制占主导地位。当压痕位移较大时,蠕变的变形机制主要是位错的滑移。(2)在室温下,对Zr-1Nb合金分别辐照到0.15、0.5、1.5和2.5 dpa。在辐照过程中,微观结构方面发生的变化主要为：产生大量空位型的团簇,团簇的种类为单空位型、双空位型及三空位型,其总密度不变：点缺陷发展为位错环,位错环的密度随着辐照剂量的增加而增加。从力学性能方面来说,由Nix-Gao模型获得的不同辐照剂量的硬度值随着辐照剂量的增加而增加,满足幂律关系,且幂指数n为0.46。辐照到2.5 dpa、在初始压入深度为200nm处的压痕蠕变激活能明显高于未辐照试样的蠕变激活能值。经过高温水蒸气氧化之后,辐照样品氧化膜中存在的孔洞或裂纹随着辐照剂量明显变大增加。因此,辐照中产生的位错环,一方面,作为阻碍位错运动的障碍,引起硬度及蠕变激活能的增加：另一方面,成为氧扩散的通道,加速腐蚀。(3)在633 K下对Zr-1Nb合金辐照到2.5 dpa,研究辐照温度在离子辐照中的影响作用。结果表明,在高温辐照下,空位型团簇及部分位错环发生回复,与相同剂量的室温辐照情况相比,硬度、压痕蠕变激活能都有一定程度的降低,同时,其氧化膜中的裂纹或孔洞较大。(4)对添加不同Cu含量的Zr-1Nb合金辐照到2.5 dpa,主要探讨Cu元素对c型位错环形成的影响。结果表明,Cu元素的加入有利于c型位错环的形成。进一步通过c型位错环的高温原位TEM结果发现,只有在较高温度(约870 K)时,c型位错环才会发生明显的回复行为。另外,适量Cu元素的加入,可以改善辐照前后合金的耐高温水蒸气性能。
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【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG146.414

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