Zr-Nb-Sn-Fe系锆合金金属间化合物结构、性质及相关系研究

Nb、Sn和 Fe是核电用锆合金中最常用的合金元素，相关合金中的金属间化合物析出相虽然量不大，但对合金性能有至关紧要的影响。由于这些相的量太少，结构不易识别，性质不易测量，文献报道相关体系锆合金所析出金属间化合物很不一致，难以找到规律。本项目拟围绕各种可能的金属化合物成分来制备试样，细致研究试样中各相成分、晶体结构、原子占位、热力学性质及相平衡关系；用量子力学计算预测化合物的点缺陷能、能带结构和电子态密度，探讨其对抗辐照和抗腐蚀性能的影响，并补充热力学优化所短缺的数据；建立Zr-Nb-Sn-Fe体系的热力学模型，完善锆合金热力学数据库，研究各种金属间化合物析出相的稳定条件，合金相结构随成分和温度变化情况，元素在各相中的分布情况；在此基础上探讨合金化机制，梳理相关锆合金结构和成分关系的大量研究结果，为合金成分优化和工艺优化提供依据，为进一步用动力学软件模拟合金形貌演变过程提供基础数据。

本项目主要内容是研究Zr-Nb-Fe-Sn 体系富Zr端析出相的结构和相关系，建立能预测合金相结构和热力学性质随温度变化的热力学数据库，服务于核电用锆合金的成分设计和工艺优化。项目特色是：（1）针对此类合金由于析出相量太少，结构不易识别、性质不易测量的问题，围绕可能析出相成分制备试样，研究其晶体结构和相平衡关系。（2）通过理论计算补充实验测量难以获取的析出相热力学性质，提高热力学模型的可靠性。.本项目澄清了Zr-Fe-Nb中一个有争议的三元析出相Fe37Nb9Zr54并不存在。.此相于1989年由俄国Alekseeva学者提出，法国学者Tenancy 虽然于2009年质疑此相存在，却仍然在其推出的商业化热力学数据库中显示此相存在。本项目专门按此成分合成了样品，借助电子显微分析手段，证实Fe37Nb9Zr54并不是一个线性化合物而是FCC结构的Zr2(FeNb)和HCP结构的Zr(FeNb)2两相混合物。欧洲推出的商用核电用Zr合金热力学数据库有故意误导的嫌疑，佐证我国应重视自主核电材料基础研究。.为建立可靠的Zr-Nb-Fe-Sn体系热力学数据库，制备了34个Zr-Nb-Fe试样，14个Zr-Nb-Sn 试样，对试样在制度下进行退火等热处理后，用SEM、EDS、EPMA和XRD等手段研究体系中各相结构、成分范围和相关系。用TDA、DSC测量部分样品的相变温度。用Retview 结构精修研究了某些相的原子占位情况，用量子力学准谐声子的方法和Debye理论，预测了Laves_C14相、Laves_C15相、Laves_C36相、Zr2M相和Zr6FeSn2 相亚晶格模型中各个端基的Gibbs自由能。用Thermo-calc 相图计算软件进行热力学优化，初步建立了Zr-Nb-Fe-Sn体系热力学数据库。.应用相图计算技术，计算了N18、M5、Zr-4和Zirlo 等商用Zr合金的相结构随温度演变情况，并和实验结果进行了对比。计算的相变详细解释了其中复杂的过程。.对我国正在研制的新型核电用Zr 合金的相结构随温度演变情况进行了预测，计算的工艺相图为制订这些合金的热处理工艺提供依据。析出相非晶化是锆合金在服役条件下辐照性变的一个原因，尝试利用热力学模型预测了析出相的非晶化趋势和成分的关系。