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西交大學者發現鋯合金輻照生長關鍵位錯環機制

2020-12-07 11:32:13 作者：知社來源：知社學術圈分享至：

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鋯合金具有極低的熱中子捕獲截面、優異的耐腐蝕性能和抗高溫蠕變等優點，被廣泛用作核反應堆中的燃料包殼和壓力管等關鍵部件。然而，長時間暴露在高能中子的輻照下會使具有織構的鋯合金部件發生不可逆的各項異性形狀改變，即輻照生長。輻照生長大大限制了鋯合金的使役安全性和服役壽命。傳統認為，高能粒子輻照產生的柱面間隙型位錯環和基面空位型位錯環（c-loop）的各項異性分布是造成鋯合金輻照生長的“罪魁禍首”。然而，實驗研究發現基面空位型位錯環只有達到一定的輻照臨界條件（輻照損傷通常大于3 dpa）才會形成，而且大量的實驗研究表明基面位錯環的尺寸大于13 nm，這一現象很難解釋輻照初期（輻照損傷介于0.1到3 dpa）鋯合金的輻照生長現象，也對傳統的輻照生長機制提出了挑戰。此外，基面位錯環的尺寸大于13 nm說明其形成存在“孕育期”，因此，研究基面位錯環的形成機制對于理解鋯合金輻照生長現象至關重要。

針對以上問題，西安交通大學材料學院韓衛忠教授課題組通過設計較為“溫和”的輻照實驗，從基面法線方向研究材料輻照初期的微觀缺陷特征，從實驗角度揭示了一種基面空位型位錯環的形成機制，揭示了微量元素對空位型位錯環在“孕育期”的關鍵作用，對于理解和調控金屬材料的輻照生長行為提供了關鍵依據。相關工作以“Two-dimensional vacancy platelets as precursors for basal dislocation loops in hexagonal zirconium”為題發表在Nature Communications上。

該工作所用的純鋯透射樣品采用400MeV氦離子進行輻照。輻照后的純鋯中形成了高密度的<a>型位錯環和極其少量的<c>型位錯環和大量的二維三角形空位型缺陷（如圖1所示）。高密度的間隙型<a>位錯環分布在柱面上，少量<c>型位錯環分布在基面上。通過位錯不可見判據和“inside/ouside” 襯度法則逐一判定位錯環的性質，可以發現間隙型位錯環的占比遠高于空位型位錯環（如圖2所示）。

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圖1：輻照后鋯中輻照損傷和氦濃度隨樣品深度的變化曲線及鋯中缺陷。

圖2：鋯中基面位錯環缺陷及柱面<a>位錯環比例分布。

純鋯經過輻照會在其內部產生等密度的空位和間隙原子點缺陷，但是除了基面上極其少量的<c>型位錯環，他們發現更多的空位以二維三角形空位缺陷的形式分布在基面上。統計發現二維三角形空位型缺陷的尺寸普遍在12 nm以下（如圖3所示）。

圖3：鋯的基面二維三角形空位型缺陷。

進一步理論計算（如圖4所示）表明，具有特殊晶體學面特征（三角型的邊沿柱面）的二維三角型空位型缺陷在達到一定臨界尺寸后可以直接塌縮成基面空位型位錯環。在基面二維三角形空位型缺陷的形成過程中，鋯合金中的微量元素扮演著非常重要的角色，如極少量的氫原子就可以大大降低鋯的基面表面能，從而促進二維三角型缺陷的形核和長大，進而轉變成<c>型位錯環，造成輻照生長。