西交大学者发现锆合金辐照生长关键位错环机制

来源：知社学术圈

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，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（辐照损伤通常大于3 dpa）才会形成，而且大量的实验研究表明基面位错环的尺寸大于13 nm，这一现象很难解释辐照初期（辐照损伤介于0.1到3 dpa）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。此外，基面位错环的尺寸大于13 nm说明其形成存在“孕育期”，因此，研究基面位错环的形成机制对于理解锆合金辐照生长现象至关重要。

针对以上问题，西安交通大学材料学院韩卫忠教授课题组通过设计较为“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，从实验角度揭示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Nature Communications上。

该工作所用的纯锆透射样品采用400MeV氦离子进行辐照。辐照后的纯锆中形成了高密度的<a>型位错环和极其少量的<c>型位错环和大量的二维三角形空位型缺陷（如图1所示）。高密度的间隙型<a>位错环分布在柱面上，少量<c>型位错环分布在基面上。通过位错不可见判据和“inside/ouside” 衬度法则逐一判定位错环的性质，可以发现间隙型位错环的占比远高于空位型位错环（如图2所示）。

图1：辐照后锆中辐照损伤和氦浓度随样品深度的变化曲线及锆中缺陷。

图2：锆中基面位错环缺陷及柱面<a>位错环比例分布。

纯锆经过辐照会在其内部产生等密度的空位和间隙原子点缺陷，但是除了基面上极其少量的<c>型位错环，他们发现更多的空位以二维三角形空位缺陷的形式分布在基面上。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3所示）。

图3：锆的基面二维三角形空位型缺陷。

进一步理论计算（如图4所示）表明，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<c>型位错环，造成辐照生长。

图4：锆基面位错环和二维三角形空位片的尺寸分布和弹性能比较。

总结展望

该工作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，从实验角度揭示基面空位型位错环的形成机制，解释辐照初期锆合金中辐照生长的现象，有助于加深对辐照缺陷演化的认识和对金属材料辐照生长行为机制的理解。

本文第一作者为西安交通大学材料学院博士生刘思冕，通讯作者为西安交通大学韩卫忠教授，合作者包括加州大学圣巴巴拉分校的Irene Beyerlein教授。该工作得到了国家自然科学基金（优青、面上）、国家重点研发计划、国家外专局111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。