Zr合金抗辐照空洞肿胀行为数值模拟研究

Void swelling is an issue of particular concern to the failure of alloys during in-reactor neutron irradiation. Zirconium alloys have excellent performance in resisting void swelling, which is closely related to a variety of factors such as dislocation, stress, the anisotropy of materials, precipitates and so on. Nevertheless, a lack of comprehensive knowledge of the effects of individual factors and interactions between them obscures the intrinsic mechanism. Towards a comprehensive and systematic recognition of the mechanism, phase field modeling of the evolution of voids and the microstructure during irradiation is utilized to gain insight into the effects of individual factors and the interactions between them, mainly focusing on the effects of helium, temperature, stress, dislocation, grain boundary and precipitates. Firstly, we plan to develop a better phase field model with the introduction of many external fields and microstructure factors to improve the simulation capability; Secondly, couple the atomic scale calculations to identify some phenomenological parameters of phase field model to improve the simulation confidence; Lastly, investigate the effects of individual factors and interactions between them with the developed model to illuminate the mechanism of the remarkable resistance to void swelling in zirconium alloys, based on which an prediction model is given in terms of artificial neural network model. The achievements of our research would help cognize this mechanism and provide valuable guidance for other alloys to improve their resistance to void swelling under irradiation.

空洞肿胀是合金材料辐照失效的主要原因之一。Zr合金在抗空洞肿胀方面具有卓越表现，其与位错、应力场、材料各向异性以及析出相等因素密切相关。但对这些因素的单独和交互作用机制仍缺乏系统认识， 因而Zr合金抗空洞肿胀的根本物理机制仍不清楚。本项目拟采用相场方法，模拟Zr合金辐照空洞的演化过程和组织特征，系统研究稀有气体He、温度场、应力、位错、晶界以及析出相等多种因素单独和交互作用的影响，以期获得抗空洞肿胀机制全面、系统的认识。首先，改进相场模型引入多种因素的影响，提高其模拟能力；其次，耦合原子尺度计算确定模型唯象参数，提高模拟置信度；最后，模拟研究单个和多个因素的影响，阐明Zr合金抗空洞肿胀的机理，并在此基础上基于人工神经网络模型给出空洞肿胀预测模型。本项目研究结果有助于推进对于锆合金抗空洞肿胀机理的认识，并能为其他合金通过组织设计和工艺优化实现空洞抑制提供理论指导。

空洞肿胀会使材料尺寸失稳，产生破坏和断裂，是影响核能安全的一个重要问题。广泛应用于核电的Zr及其合金具有优异的抗空洞肿胀性能，但背后的物理机制仍不甚清楚。针对Zr的抗空洞肿胀特性开展深入研究对于核电材料抗空洞肿胀设计具有重要的学术价值和工程应用价值。本项目围绕该机理问题，取得的主要成果有：（1）首次针对Zr建立了一个包含复杂材料异性的相场模型，模型中同时考虑了空位和间隙原子的扩散异性以及空洞的表面能异性。完成了空洞生长反常动力学行为的研究，找到了Zr中辐照空洞反常生长行为的物理机制，并分析了该机制在Zr优异的抗空洞肿胀表现中关键作用。（2）在空洞演化相场模型中引入多晶构型，完成了Zr中晶界与空洞生长、演化发生交互作用的相场模拟研究。实现了晶界钉扎、迁移与空洞生长、演化过程全耦合相场计算。目前针对晶界的研究大都没有考虑晶界的演化，主要考虑颗粒等的钉扎作用，本项目中我们特别的考虑了晶界的实时演化及其与空洞的交互作用过程，深入研究了晶界迁移、扫略对于空洞演化及肿胀行为的影响。（3）在空洞演化相场模型中引入析出相的影响，创新性的提出了析出相影响区模型，利用析出相影响区的定义可以方便的引入不同类型析出相的点缺陷吸收效应，这对系统开展析出相对肿胀行为影响的研究至关重要。实现了两种类型析出相对于Zr中辐照空洞生长、演化过程影响研究。此外，通过建立Zr在氢化腐蚀过程中产生的氢化物演化相场模型，开展了氢化物的堆叠结构形成及应力下取向转变的研究。在此基础上，首次研究了氢化物析出相对于空洞肿胀行为及其性能的影响的研究。（4）在上述三个方面研究的基础上，从材料异性、晶粒结构以及析出相三个方面，系统总结了Zr抗辐照空洞肿胀的物理机制及对性能的影响。本项目的成果不仅有助于推进对于Zr抗空洞肿胀的理论认识，并且在其他合金体系的抗辐照空洞肿胀的微结构设计和工艺优化中也会提供有益的理论指导。