西安交大研究人员发现锆合金辐照生长关键位错环机制

锆合金具有极低的热中子捕获截面、优异的耐腐蚀性能和抗高温蠕变等优点，被广泛用作核反应堆中的燃料包壳和压力管等关键部件。然而，长时间暴露在高能中子的辐照下会使具有织构的锆合金部件发生不可逆的各项异性形状改变，即辐照生长。辐照生长大大限制了锆合金的使役安全性和服役寿命。传统认为，高能粒子辐照产生的柱面间隙型位错环和基面空位型位错环(c-loop)的各项异性分布是造成锆合金辐照生长的“罪魁祸首”。然而，大量实验研究发现，基面空位型位错环只有达到一定的辐照临界条件才会形成，而且基面位错环的尺寸通常都大于13 nm，这一现象很难解释辐照初期锆合金的辐照生长现象，也对传统的辐照生长机制提出了挑战。

近日，西安交通大学材料学院韩卫忠教授研究组发现辐照初期在纯锆中形成了一种新型的纳米尺度三角形空位型缺陷，从而提出基面三角形空位型缺陷是锆合金中基面空位型位错环的前驱体。研究发现，氦离子辐照后的纯锆中形成了高密度的型位错环，极其少量的型位错环和大量的二维三角形空位型缺陷。高密度的间隙型位错环分布在柱面上，少量型位错环和大量的二维三角形空位型缺陷分布在基面上。统计发现二维三角形空位型缺陷的尺寸普遍在12 nm以下(如图1所示)。理论计算表明(如图2所示)，具有特殊晶体学面特征(三角型的边沿柱面)的二维三角型空位型缺陷在达到一定临界尺寸后可以直接塌缩成基面空位型位错环。在基面二维三角形空位型缺陷的形成过程中，锆合金中的微量元素扮演着非常重要的角色，如极少量的氢原子就可以大大降低锆的基面表面能，从而促进二维三角型缺陷的形核和长大，进而转变成型位错环，造成辐照生长。

 

该研究通过设计较为“温和”的辐照实验，从基面法线方向研究材料辐照初期的微观缺陷特征，从实验角度发现了一种基面空位型位错环的形成机制，揭示了微量元素对空位型位错环在“孕育期”的关键作用，对于理解和调控金属材料的辐照生长行为提供了关键依据。

相关工作以“Two-dimensional vacancy platelets as precursors for basal dislocation loops in hexagonal zirconium”为题发表在学术期刊《自然通讯》(Nature Communications)。西安交通大学材料学院博士生刘思冕为论文第一作者，韩卫忠教授为论文通讯作者，合作者包括加州大学圣巴巴拉分校Irene Beyerlein教授。该工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划和西安交通大学青年拔尖人才支持计划等项目的共同资助。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-19629-5