Zr-Sn-Nb合金第二相析出行为及淬火速率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, quenching performed prior to hot rolling would affect precipitation concurrently. The present applicant plans to utilize analytical techniques with state of the art, including high angle annular dark field (HAADF) imaging and transmission electron microscopy (TEM) system, to investigate the effect of quenching on microstructure 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, and precipitation of the SPPs, the interaction between precipitation and microstructure after quenching. 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加工工艺密切相关，不同淬火组织将影响第二相析出和长大。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TEM和HAADF技术，经不同速率淬火及退火处理，针对第二相形核和析出过程，系统研究淬火组织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、第二相析出与淬火组织的交互作用等基础科学问题，阐明淬火速率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，同时对改进现行锆合金生产加工工艺，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。

本论文以三种新型Zr-Sn-Nb系合金（Zr-1Sn-1Nb-0.3Fe、 Zr-1Sn-0.3Nb-0.3Fe和Zr-1Sn-0.3Nb-0.1Cu）为研究对象，结合透射电子显微镜（TEM）、扫描透射电子显微镜（STEM）、电子通道衬度相（ECC）、金相光学显微镜（OM）等现代表征技术，研究了不同冷却速率对实验合金的显微组织及第二相析出的影响，并对随后的时效过程中第二相的演化规律进行了系统的研究。主要结论如下：.① 实验合金的显微组织随冷却速度降低变化规律如下：细小的针状马氏体组织（水冷）→Basket-weave编篮状魏氏组织（液氮冷）→Parallel-plate平行板条状魏氏组织（空冷）→Lentiicular粗大的板条状组织（炉冷）。随冷却速率的下降，板条宽度逐渐增大。炉冷样品中还发现了热应力诱导孪晶，即"{10-12}拉伸孪晶。.② 发现并鉴定了两种新型的Zr-(Fe, Cu)型第二相： BCT结构I相，在四种样品中均有发现，晶格参数a=b=6.49 Å, c=5.37 Å，可能的空间群I4cm (110), 和I4/mcm (140)，推测其形成机制为Cu元素置换Zr2Fe中的某些Fe原子；简单六方H相，只在某些快冷样品（水冷、液氮冷）中发现，晶格参数a=7.87 Å, c=3.33 Å，随着时效时间的延长，这种相逐渐消失，推测其为一种亚稳过渡相。.③ 四种冷却速率样品中第二相随时效时间的演化规律.④ 随着时效的进行，几种样品中均出现了第二相逐渐在晶内位错处析出的现象，同时伴随着时效的延长，位错的运动导致了晶界及第二相附近有大量位错网、位错墙堆积；在许多Zr-(Fe, Cu)颗粒附近观察到Nb元素富集或细小的Zr(Nb, Fe)2颗粒析出，推测是Zr-(Fe, Cu)颗粒在析出生长时排出了该区域所含的Nb元素导致。