热瞬变诱导锆合金中氢化物堆叠结构与溶解相变的背散射结构特征研究

本研究针对核燃料包壳材料锆合金中氢化物导致力学性能劣化的关键问题，通过电火花加工（WEDM）热瞬变诱导氢化物部分溶解，首次揭示了δ-氢化物的骨架结构特征，发现其由离散分布的针状氢化物和具有取向差异的纳米α-Zr亚晶组成。结合ECCI（电子通道衬度成像）和TKD（透射菊池衍射）技术，阐明了δ→α相变过程中亚晶取向变化的机制，为氢化物堆叠结构提供了直接实验证据，对理解氢化物溶解/析出行为具有重要意义。

　　

核燃料包壳材料锆合金在长期服役过程中，因水侧腐蚀产生的氢会形成脆性氢化物，严重威胁反应堆安全运行。尽管前人通过相场模拟预测了氢化物的堆叠行为，但其内部微观结构始终缺乏直接实验证据。更棘手的是，氢化物溶解过程的相变机制尚不明确，这阻碍了对其致脆机理的深入理解。

西北工业大学凝固技术国家重点实验室团队在《Scripta Materialia》发表的研究中，创新性地利用电火花加工（WEDM）产生的极端热瞬变（升温速率达10,000°C/s），诱导Zr-1Sn-1Nb-0.3Fe-0.11O合金中氢化物发生可控溶解。通过冷冻聚焦离子束（cryo-FIB）制备样品避免假象干扰，结合电子通道衬度成像（ECCI）和透射菊池衍射（TKD）等先进表征技术，首次捕捉到氢化物溶解过程中的骨架结构特征。

关键实验方法

研究采用氢含量162 wppm的再结晶锆合金，通过WEDM产生热影响区（HAZ厚度约50 μm）。利用背散射电子成像（BSE）定位氢化物溶解区域，冷冻FIB制备TEM样品避免氢化物重构。采用ECCI观察纳米结构，TKD（步长5 nm）解析相组成和晶体取向，NBED（纳米束电子衍射）鉴定δ-氢化物相。

氢化物溶解与再沉淀特征

在距离切割界面20 μm处（温度约500°C），发现由残余氢化物核心和纳米条带组成的混合区。TEM显示周边α-Zr基体中存在透镜状纳米氢化物（厚度约50 nm），NBED证实其为δ相。这表明热瞬变引发氢化物溶解后，氢通过短程扩散在邻近区域重新沉淀。

δ-氢化物骨架结构的发现

ECCI揭示溶解后的氢化物呈现厚度减薄的骨架结构，由离散分布的针状氢化物（间距100-200 nm）构成。这些氢化物板条以不同堆叠方向相互连接，证实宏观氢化物是通过纳米板条自催化堆叠形成。应变场分析表明，初始氢化物析出产生的17.2%膨胀失配会诱发位错聚集，促进次级氢化物在既有氢化物尖端形核。

亚晶取向变化的相变机制

TKD分析显示，原始氢化物域内交替分布着δ相和纳米α-Zr亚晶（尺寸<200 nm）。值得注意的是，亚晶（Zr2/Zr3）与母相α-Zr（Zr1）存在明显取向差。极图分析证实其遵循{111}δ//{0001}α和<110>δ//<11-20>α的取向关系，揭示这是通过反向马氏体相变路径实现：氢化物沉淀时a/3<1-100>不全位错在{0001}面滑移形成δ相，溶解时a/6<-1-1-2>不全位错在δ-{111}面滑移重建α相。由于FCC晶体中四个独立{111}面的存在，相变可产生三种不同于母相的新取向。

这项研究首次从实验上证实了氢化物堆叠的骨架结构特征，阐明了热瞬变诱导的δ→α相变通过不全位错滑移改变晶体取向的原子机制。不仅为理解氢化物致脆提供了微观结构基础，更为核燃料包壳材料的氢损伤防控提供了新思路——通过调控热加工参数可能实现氢化物结构的主动设计。冷冻FIB与TKD联用的方法体系，也为其他金属氢化物的研究建立了技术范式。