锆合金第二相析出行为及预变形对其影响机制的研究

Mechanical and corrosion-resistant properties of zirconium alloys greatly depend on the size, structure and distribution of second phase particles (SPPs). Apart from chemical composition, it is also known that the structures of SPPs are related to thermo-mechanical treatment. Furthermore, pre-deformation performed prior to hot rolling would affect precipitation and recrystallization concurrently. The present applicant plans to utilize analytical techniques with state of the art, including high angle annular dark field (HAADF) imaging and electron back-scattered diffraction (EBSD) system, to investigate the effect of pre-deformation on microstructural evolution of zirconium alloys. Special attentions are paid to some questions of basic science, such as the diffusion behavior of solute atoms, the structure of metastable SPPs, precipitation process, precipitation and growth kinetics of the SPPs, the interaction between precipitation and recrystallization after pre-deformation of cold rolling. The initiation of present program will yield a considerable amount of achievements that can facilitate realizing the deep nature of the nucleation and growth of SPPs. Meanwhile, the meaningful results reasonably expected in the present application will improve fabrication processes of zirconium alloys currently applied in industry and thus are of engineering significance as well.

锆合金的力学性能和耐腐蚀性能均强烈地依赖于基体中第二相的尺寸、弥散程度以及其结构稳定性。除了成分外，第二相的结构和析出行为还与变形方式和退火工艺密切相关，热轧前引入预变形会同时影响第二相析出和再结晶。本研究拟采用现代分析技术，特别是可以精细分析纳米级析出相的HAADF技术和定量表征再结晶微区取向的EBSD技术，经冷轧预变形及退火处理，针对第二相析出和再结晶过程，系统研究预变形时效后锆合金溶质原子的扩散、亚稳相结构、第二相的脱溶贯序行为、析出动力学、第二相析出与再结晶的交互作用等基础科学问题，阐明预变形对锆合金组织演变规律及调控机理的影响。该课题的顺利开展能进一步揭示锆合金第二相形核长大规律的本质特征，并且为深入理解其对合金使用性能的影响提供基础理论方面的研究积累，同时对改进锆合金现行的生产加工工艺，提高我国国产锆合金加工技术的自主创新能力具有重要的工程意义。

本研究采用电子通道衬度像(ECC)、透射电子显微镜(TEM)、差示扫描量热法(DSC) 、二次电子像(SE)等先进电子显微分析技术，系统定量研究了国产Zr-Sn-Nb 和新锆合金(T3)β相淬火后时效过程中第二相的析出长大动力学、板条组织的再结晶机制、第二相与再结晶的相互作用关系，获得了预变形处理对第二相析出行为的影响规律。基于扫描统计的结果表明，T3 合金在600-700°C 时效过程中稳态第二相的长大行为符合Kahlweit二阶长大动力学。微观组织分析揭示，淬火得到的板条组织在时效的初期得到保留，第二相沿板条界析出，呈线性分布；随着时效温度的升高或时间的延长，板条组织会发生再结晶，第二相则由沿板条界的线性分布转变为再结晶晶粒内的弥散分布。由于其再结晶机制为应变诱导晶界迁移(SIBM)机制，再结晶组织会保留板条组织主要取向差分布特征。揭示了预变形对T3 合金β 相淬火后时效过程中微观组织的演变具有显著影响，与不经预变形直接时效相比，20%预变形可以显著加速板条组织的再结晶，极大细化再结晶后的晶粒尺寸并促进第二相粒子的均匀分布。阐明了再结晶机制从SIBM 机制转变为亚晶合并机制，预变形后的再结晶组织将不再保留板条组织的取向差分布特征。对再结晶晶粒尺寸的分析表明，无论有无预变形，实验测量的再结晶晶粒尺寸均显著大于应用Zener 公式计算所得尺寸，说明时效后的再结晶组织未达到理想平衡态。预变形后再结晶晶粒尺寸更接近理论值，说明预变形可以促进再结晶组织向理想平衡态转变。引入预变形还会降低T3 合金时效过程中第二相的长大激活能并细化晶粒。研究结果对反应堆包壳用锆合金材料的设计和组织控制具有重要的理论价值和工程意义，已用于相关合作单位的国产新锆合金性能提高和工艺优化。