引言
能源是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力，是人類賴以生存的基礎(chǔ)。發(fā)展核能，減少溫室氣體排放，構(gòu)建可持續(xù)發(fā)展能源體系是當(dāng)今的必然選擇。壓水反應(yīng)堆緊湊型好、安全性高、技術(shù)成熟，是目前核電站的主流堆型。核電站的核心是反應(yīng)堆，燃料元件位于壓水反應(yīng)堆一回路，主要由發(fā)生裂變反應(yīng)的燃料芯體和包殼組成，是反應(yīng)堆中最為重要的部件。包殼又被稱為“反應(yīng)堆的第一道安全屏障”[1]，是保持燃料元件的尺寸穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)完整的關(guān)鍵部件。核燃料包殼材料在服役期間，經(jīng)受著高溫、高壓、強(qiáng)輻照和腐蝕的苛刻環(huán)境的考驗(yàn)。因此，研究反應(yīng)堆包殼材料在極端環(huán)境下的性質(zhì)演變，對(duì)于維護(hù)反應(yīng)堆安全意義重大。鋯合金具有熱中子吸收截面小、導(dǎo)熱率高、耐腐蝕性能好、具有良好的加工成型性能和力學(xué)性能等優(yōu)點(diǎn)，是目前水冷反應(yīng)堆的首選核燃料包殼材料。在服役期間，鋯合金包殼都會(huì)與高溫高壓一回路水發(fā)生腐蝕反應(yīng)，腐蝕反應(yīng)釋放出的部分氫會(huì)以非化合物形態(tài)穿過氧化膜，被鋯合金以固溶形式吸收。由于氫在鋯中的固溶度很有限，室溫條件下大約幾個(gè)ppm，在300℃時(shí)約為80ppm[2]。受到不同鋯合金材料組分、應(yīng)力、溫度及環(huán)境等各種因素的影響，有可能產(chǎn)生氫的局部聚集，一旦超過固溶度就會(huì)沉淀出脆性的氫化鋯相，破壞鋯晶粒的結(jié)構(gòu)完整性，導(dǎo)致材料力學(xué)性能降低，進(jìn)而引發(fā)災(zāi)難性失效。氫脆是鋯合金包殼管最重要的失效機(jī)制之一,嚴(yán)重威脅反應(yīng)堆的安全運(yùn)行。氫進(jìn)入到鋯合金后，不僅會(huì)與材料中的缺陷相互作用，同時(shí)也會(huì)形成大量氫致缺陷[3]，包括類型空位、氫缺陷簇和微裂紋等。隨著氫濃度不斷增加，在不同溫度和應(yīng)力條件下氫化物主要以δ(ZrH2.0)、γ(ZrH1.0)、ε(ZrH1.5-1.7)和ζ(ZrH0.5)相形式析出，本工作針對(duì)核電站包殼管的重要候選材國產(chǎn)ZIRLO合金管材樣品，利用高溫氣相充氫方法制備不同氫含量樣品，綜合利用多種表征手段，更全面地認(rèn)識(shí)氫對(duì)鋯合金性能影響，為反應(yīng)堆安全運(yùn)行提供重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
1、實(shí)驗(yàn)材料及測(cè)試方案
本次工作實(shí)驗(yàn)樣品是國產(chǎn)化ZIRLO合金管材樣品，名義成為是Zr-1.0Sn-1.0Nb-0.1Fe，為了能最大程度模擬反應(yīng)堆實(shí)際工況，選用工程管材樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。包殼管樣品外徑為Φ9.5mm，壁厚為0.57mm。為了控制實(shí)驗(yàn)參數(shù)，精確控制溫度、壓力、氫含量等參數(shù)對(duì)于鋯合金中氫化物形成的影響，利用高溫氣相充氫在350℃進(jìn)行滲氫，氫氣壓力為1atm，冷卻速率為2℃/min，通過改變保溫時(shí)間來制備不同氫含量的樣品，制備氫含量分別為250ppm、400ppm和800ppm的樣品，通過LECO公司的RHEN602分析儀進(jìn)行氫含量測(cè)定，精度為20ppm。充氫完成后樣品利用不同顆粒度砂紙打磨截面，10%HF+45%HNO3+45%H2O體積比的混合酸蝕刻樣品，然后用自來水沖洗，之后放在去離子水中用超聲波水洗，浸入乙醇后自然烘干，采用金相顯微鏡觀察樣品中氫化物的形態(tài)、分布情況。氫化物是脆性相，并且具有與鋯基體不同的晶格常數(shù)，因此會(huì)影響鋯合金的宏觀性能，最為關(guān)鍵的是材料的硬度，利用納米壓痕法可以表征含不同氫化物含量的鋯合金硬度，與傳統(tǒng)硬度測(cè)試方法相比，可以高效地得到高準(zhǔn)確度的硬度數(shù)據(jù)。本次工作所選用的實(shí)驗(yàn)儀器型號(hào)為AntonParrNHT2，其位移分辨率優(yōu)于0.1nm。傳統(tǒng)的硬度測(cè)試采用接觸剛度法計(jì)算，但是這樣的測(cè)試方法效率低、誤差大。本次實(shí)驗(yàn)采用連續(xù)剛度測(cè)量技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)量不同壓入深度下的硬度，直接獲得壓入過程中采集的每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)壓入深度的接觸剛度，建立硬度與彈性模量等力學(xué)性能和壓入深度的函數(shù)關(guān)系，無需利用顯微鏡測(cè)量壓痕面積，很大程度提高了測(cè)試結(jié)果的精度。其原理是將較高頻率的簡諧力加載在準(zhǔn)靜態(tài)載荷上，測(cè)量壓頭的簡諧響應(yīng)，可以獲得壓入過程中采集的每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)壓入深度的接觸剛度,小簡諧力由鎖相放大器的振蕩器加載[4]。采用連續(xù)剛度模式測(cè)試充氫后樣品硬度，每個(gè)樣品分別在鋯合金管材樣品的外表面、中間部分和內(nèi)表面分別選擇8個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，壓入深度為1.6μm。氫進(jìn)入到鋯合金后不僅會(huì)與材料中的缺陷相互作用，同時(shí)也會(huì)形成氫致缺陷。正電子湮沒譜學(xué)5]具有無損、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于表征空位型缺陷，靈敏度可達(dá)10-7個(gè)空位/原子。由于正負(fù)電子對(duì)有一定動(dòng)量，湮沒時(shí)存在多普勒效應(yīng)，導(dǎo)致湮沒γ輻射能量都有一定寬度，樣品中的缺陷會(huì)影響電子平均動(dòng)能造成峰形變化，多普勒展寬能譜通過分析描述多普勒展寬能譜峰形的S參數(shù)，可知樣品不同位置處缺陷類型和密度變化。因此本工工作利用正電子湮沒多普勒展寬譜表征樣品中氫致缺陷的種類和密度。
2、結(jié)果分析與討論
圖1為不同氫含量ZIRLO樣品光學(xué)顯微鏡觀察結(jié)圖，分別選擇放大倍數(shù)為50X和100X進(jìn)行觀察。可以看出絲狀氫化物整體都是沿著ZIRLO包殼管的周向分布，在低倍場(chǎng)觀察時(shí)呈現(xiàn)為連續(xù)細(xì)條狀，高倍場(chǎng)呈現(xiàn)斷續(xù)排列的，特別是在幾條氫化物相遇處，會(huì)存在成團(tuán)、纏繞、彼此分開等現(xiàn)象。通過觀察可以發(fā)現(xiàn)不同濃度鋯合金管材樣品中的氫化物的寬度值差異性小，主要體現(xiàn)為長度和密度的差異，氫化物的長度大約是500-800μm，隨著氫化物濃度增加，氫化物數(shù)量增多、長度和尺寸也有所增加。
圖2是不同氫含量ZIRLO樣品XRD測(cè)試結(jié)構(gòu)。通過對(duì)照密排六方的α-Zr（PDF卡片序號(hào)為05-0665），未充氫的原始ZIRLO主要成分是α-Zr。通過分析不同氫含量鋯合金樣品的XRD譜圖，可以發(fā)現(xiàn)充氫后試樣的主要成分為ZrH1.66（PDF卡片序號(hào)為34-0469），特征峰為（111）、（200）、（220），隨著氫含量從250ppm增加至800ppm,ZrH1.66特征峰變得更加明顯。
通過光學(xué)顯微鏡可以表征氫化物的分布和微觀結(jié)構(gòu)，但是無法得知材料中未形成氫化物的氫元素與鋯合金之間的相互作用。利用正電子多普勒譜可以表征氫致缺陷的種類和密度。圖3是不同氫含量鋯合金的多普勒展寬S-E曲線。圖中的橫軸為正電子入射能量，可以換算為平均注入深度（nm），換算公式[3]為：
其中R為平均注入深度，單位nm；ρ為材料密度，單位g/cm3，E為入射正電子能量，單位keV。鋯合金密度為6.49g/cm3。從圖3是不同氫含量鋯合金的多普勒展寬S-E曲線可以看出,當(dāng)正電子在低能狀態(tài)下入射時(shí)，由于注入深度淺，熱化的正電子會(huì)重新擴(kuò)散到材料表面；此外，樣品管材制備過程中近表面區(qū)域會(huì)引入了大量缺陷，導(dǎo)致S參數(shù)出現(xiàn)異常變化，因此在分析數(shù)據(jù)時(shí)，挑選入射能量E＞10keV的區(qū)域進(jìn)行研究與討論。原始樣品的S參數(shù)穩(wěn)定于0.495左右。充氫樣品S參數(shù)穩(wěn)定于0.493左右，充氫量從250ppm增加至800ppm，S-E曲線并未發(fā)生明顯變化，這一現(xiàn)象表明引入的氫致缺陷密度和種類基本一致。這一現(xiàn)象是由于氫尺寸較小，填充了鋯合金管材中的空位，導(dǎo)致材料缺陷密度下降，相關(guān)學(xué)者的研究結(jié)果也有相似的結(jié)論[6]。
圖4分別測(cè)試了不同氫含量樣品沿徑向方向的硬度值。為了提高測(cè)試結(jié)果的可靠性，每個(gè)測(cè)試區(qū)域選擇8個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量（如圖4（a）所示），所得硬度值為測(cè)試的點(diǎn)的平均值。可以看出，不同氫含量的ZIRLO樣品的硬度值大約在2.5GPa左右，不同位置處硬度值無明顯差異，這一現(xiàn)象與光學(xué)顯微鏡觀察到氫化物分布均勻的結(jié)果一致。當(dāng)氫含量較低時(shí)，不同位置處硬度值差異較少，隨著充氫量不斷增加，在管壁外表面，中部和內(nèi)表面處測(cè)量硬度值的差異性有一定增加，主要表現(xiàn)為管外層和中部硬度值較高，內(nèi)側(cè)較低。
3、結(jié)語
本工作選用核電站燃料元件包殼候選材料國產(chǎn)ZIRLO合金管材樣品為研究對(duì)象，利用高溫氣相充氫方法制備氫含量樣品為250ppm、40ppm和800ppm樣品，利用光學(xué)顯微鏡表征氫化物形貌與分布，選用XRD表征形成氫化物結(jié)構(gòu)，采用正電子多普勒展寬表征不同氫含量鋯合金樣品中氫致缺陷密度，通過不同氫含量樣品的納米壓痕硬度值表征樣品的力學(xué)性能，可以得到以下結(jié)論：
（1）國產(chǎn)ZIRLO合金管材樣品充氫后試樣的主要成分為ZrH1.66，隨著氫化物濃度的增加，ZrH1.66特征峰逐漸明顯；
（2）高溫氣相充氫在充氫初期時(shí)，生成氫化物數(shù)量較少，利用光學(xué)顯微鏡可觀察到氫化物呈無規(guī)律均勻分布；隨著充氫量不斷增加，氫化物尺寸和數(shù)量逐漸增加，在管壁外層形成氫化物聚集區(qū)域，氫化物主要沿周向分布；
（3）高溫氣相充氫一方面可以引入氫化物，另一方面由于氫尺寸較小，會(huì)填入材料中的空位，基于慢正電子多普勒展寬的測(cè)試結(jié)果表明：當(dāng)充氫量從250ppm增加至800ppm，充氫可以使得材料中的空位型缺陷密度降低；
（4）隨著氫含量增加，導(dǎo)致鋯合金材料的硬度值不斷增加，不同氫含量的鋯合金樣品的平均硬度大約是2.5GPa，氫化物含量對(duì)樣品硬度影響的差異性較小。當(dāng)氫含量較低時(shí)，不同位置處硬度值差異較少，隨著充氫量不斷增加，氫化物分布存在一定差異性，主要表現(xiàn)為ZIRLO管材樣品靠近外層和中部硬度值較高，管內(nèi)側(cè)區(qū)域的硬度值較低。
參考文獻(xiàn)
[1]扎依莫夫斯基.核動(dòng)力用鋯合金[M].北京:原子能 出版社,1988.
[2]劉建章.核結(jié)構(gòu)材料[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版 社,2007.
[3]Bordulev I, Kudiiarov V, Svyatkin L, et al.
Positron annihilation spectroscopy study of defects in hydrogen loaded Zr-1Nb alloy[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2019, 798: 685-694.
[4]Fischer-Cripps A C. Nanoindentation[M]. New York:Springer New York, 2004.
[5]郁偉中.正電子物理及其應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版 社,2003.
[6]Chen Z Q, Kawasuso A, Xu Y, et al. Production and recovery of defects in phosphorus-implanted ZnO[J]. Journal of Applied Physics, 2005, 97(1):399.
相關(guān)鏈接
