合金化对ZrCo储氘材料抗粉化和抗歧化性能的影响

With the development of nuclear energy the deuterium,one of the isotope of hydrogen is receiving more and more demand. How to store, transport and recover deuterium gas quickly and safely becomes an urgent concern. ZrCo alloy, which has a widely application in deuterium storage field due to its excellent characteristics of low plateau pressure and large capacity at room temperature and easy release at high temperature(＞400℃), has been suspended due to its pulverization after hydriding and disproportionation under overheating. In this project we propose an alloying method as well as an new eutectoid microstructure method to improve its pulverization and disproportionation. The research plans include: preparation of alloys, controlling of microstructure, determination of deuterium storage properties and pulverization and disproportionation properties, as well as its mechanism research respectively. The purpose of this project is to obtain the rules of alloying and microstructure on the deuterium storage properties of ZrCo alloys. These results will play a benefit effect on the design of new ZrCo deuterium storage alloys, and at the same time contribute a lot to the development of the pulverization theory and mechanism with important theoretical and practical significance.

随着核能需求的不断增加，对氢的同位素-氘的需求也不断增加，如何安全、便捷地储存、运送和回收氘气变得十分迫切。ZrCo合金具有优异的储氘性能，其室温储氘平台压低、储量大，高温(＞400℃)又容易释放，在储氘领域有着广泛的应用,然而,该材料吸氘后容易发生粉化现象，过热时还会发生歧化分解，对其正常使用造成不利影响。为此，本研究拟采用合金化的方法来探讨改善其粉化和歧化性能的途径，并提出了利用共析显微组织来提高其抗粉化性能的新思路。研究内容包括合金制备、显微组织控制、储氘性能测试、粉化和歧化性能测试以及机理研究等。通过研究掌握合金化及显微组织对ZrCo合金储氘性能的影响规律，获取提高其抗粉化和抗歧化的方法和机制。研究结果对于促进新型储氘合金的研发、丰富储氘材料的抗粉化理论和机制将起到积极的作用，具有重要的理论和实际意义。

以原子聚变堆中的金属储氘材料为研究背景，针对这些材料在储氘过程中的储氘性能及粉化和开裂行为，开展了金属锆合金储氘性能及抗粉化和开裂的工艺及机理研究。研究主要在以下四个方面取得进展。（1）系统研究了锆合金吸放氢性能及开裂行为，发现显微组织、吸氢量、吸氢工艺等因素对锆合金吸氢后的相结构、体积膨胀及开裂行为有较大的影响，并且发现残余应力及析出氢化物的相结构、晶体学取向及点阵畸变程度对开裂行为的影响规律。在上述研究的基础上，提出了一套防开裂的热处理工艺。（2）系统研究了锆合金吸放氘性能及开裂行为，发现吸氘压力、吸氘温度、冷却方式等因素对锆合金的储氘性能、吸氘后的相结构、体积膨胀及开裂行为的影响规律，并且探索了Cu参杂对锆合金储氘性能及吸氘开裂行为的影响规律。（3）进行了锆合金储氘热力学及动力学研究，通过方程拟合研究了其动力学机制。（4）对锆合金吸氘的组织演变规律进行了研究，发现了氘化物在不同吸氘分数下的组织演化规律及对微观力学性能的影响。此外还研究氘化物在锆合金变形过程中对裂纹扩展的影响等等。通过本课题研究，不仅取得了预期的研究成果，掌握了Zr合金吸氘开裂的规律及预防措施，为国家培养了这方面的专门人才，而且利用研究成果解决了一些实际问题，因此达到并超额完成了该基金的预期目标。