U-Nb合金不连续析出机制研究

Along with the rapid development of China's economy, energy and environmental issues have become increasingly prominent. As an important nuclear material, uranium-niobium alloy and its expanded multi-alloy system are expected to be applied to future generations of nuclear fuel systems or special structural materials for nuclear power plants. Currently, due to the insufficient understanding of basic science of phase transformation of uranium-niobium alloy system, development efficiency of new alloys and the evaluation ability of material serviceability are limited. This project thus chose to study the occurrence of discontinuous precipitation in the long-term isothermal aging process of uranium-niobium alloy. The project is expected to reveal the phase transition behavior, mechanism, control factors and its influence on material properties of uranium-niobium alloy in the long-term service of medium temperature environment.

伴随着我国经济的快速发展，能源与环境问题日益突出。作为重要的核材料，铀铌合金及其扩展的多元合金体系有望应用于未来新一代核燃料体系或核电站特需结构材料。针对当前因铀铌合金体系相变基础科学不完备而影响新型合金研发效率以及材料服役性能评估能力的现状，项目选择对铀铌合金长期等温时效过程中可能出现的不连续析出现象进行研究。项目预期揭示铀铌合金在中温环境长期服役过程中的相变行为、机制、控制因素及其对材料性能的影响。

本研究探索了两种铀铌合金中的不连续析出转变机制。对于U-2Nb合金，确认了U-2Nb合金在450-550℃温度区域发生了不连续析出反应，在600~635℃温度区域仅存在常规单析反应，其中，550℃时，不连续析出与常规单析反应存在竞争关系；DP反应的形核位置主要在晶界及夹杂物/基体界面；通过KJMA动力学模型拟合了其转变动力学参数及反应表观激活能；在显微组织结构方面，对其组织演变机制及双相片层间距进行了表征分析。对于U-5.8Nb合金，在相变机制研究方面，发现了该转变形核位置为晶界及夹杂物与基体界面处；在600℃下对晶界界面的形核机制进行了细致研究，认为其形核是由界面迁移引发仿晶界α相析出而形成。对于DP组织的生长机制，发现了明显的分叉现象，表明α相形核主要在晶界或夹杂物与基体界面处发生。确认了DP组织与母相并无明显的晶体学关系；在相变动力学研究方面，通过金相定量法获得了U-5.8Nb合金在350~600℃温区的等温相转变动力学数据，并据此拟合了KJMA动力学模型参数及其反应表观激活能。此外，以U-5.8Nb为研究对象，对不连续析出双相组织进行了精细结构及成分分析表征。发现了该合金中不连续析出与其他相转变的竞争关系，其竞争反应随温度条件而变化。由于竞争反应的存在，本合金体系中Nb元素在转变前沿并不存在如其他典型二元合金中不连续析出时的成分分布特征，即未发现Nb成分在反应前沿的突变。