PRL：一种多级三维纳米层状双相锆合金

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近日，西安交通大学材料学院韩卫忠教授课题组通过在相变前引入快速变形以增加相变形核位点来细化组织的方法，成功制备了多级三维纳米层状双相锆合金，该锆合金具有高强度、高加工硬化率和高延展性等特点，相关成果发表在Physical Review Letters。

图1：(a) Zr-Nb二元相图；(b) 粗片层状结构锆合金的组织形貌；(c) HCP锆片层厚度分布；(d) 加工工艺图；(e)和(f)多级三维纳米层状双相锆合金组织。

锆合金具有极低的热中子捕获截面、优异的耐腐蚀性能和抗高温蠕变等特点，被广泛应用于核反应堆，如压力管和核燃料包壳等。随着核能向高效率和高安全性方向的发展，对核用锆合金的力学性能、抗辐照性能、热稳定性、抗蠕变和耐腐蚀能力提出了更高要求。近年来，金属界面材料逐渐成为研究热点。大量研究表明，材料中的界面能够有效地阻碍位错运动以提高材料强度；同时，界面能够作为辐照缺陷的吸收陷阱有效地降低辐照损伤；此外，材料中的稳定界面能量较低，往往还具有较好的热稳定性。如果能在锆合金中引入大量界面，其综合性能将会得到全面提升。然而，现有技术制备的金属层状材料具有界面取向单一，力学性能各向异性，界面结合弱，塑性变形能力差等缺点。因此，发展制备大块多级三维纳米层状锆合金具有重要意义。

图2：(a)锆合金拉伸工程应力-应变曲线；(b)背应力随真应变的变化规律。

西安交通大学材料学院韩卫忠教授课题组，通过在相变前引入快速变形增加相变形核位点密度来细化组织的方法，开发了一种多级三维纳米层状双相锆合金，该合金组织包括数十微米的粗晶，粗晶中包含微米级的具有不同空间位向的局域平行片层组织，同时，平行片层由大量的纳米尺度层状的hcp锆和bcc锆构成，如图1所示。相比于未经高温快速变形制得的粗片层状结构的锆合金，多级三维纳米层状双相锆合金具有更细的片层厚度和更高的界面密度。力学性能测试表明多级三维纳米层状双相锆合金具有高强度、高加工硬化率和高延展性等优点，如图2和3所示。

图3：多级三维纳米层状双相锆合金具有良好的强度和塑性匹配。

微观结构表征发现：在变形的初期，试样宏观屈服之前，hcp锆中有大量单一择优的柱面<a>位错启动，并且两相界面能够有效地阻碍位错运动，促使位错在界面塞积以提高背应力，见图4；当变形进行到弹塑性转变阶段时，随着位错-界面相互作用不断加强，三个不同柱面上的<a>位错均被激活，这促进了变形的均匀性；在变形的最后阶段，除了柱面<a>滑移启动外，界面上的失配位错也成为位错源，促进hcp锆中锥面上的<c+a>位错滑移，以增加hcp锆沿c轴方向的塑性变形，如图4所示。因此，由于位错-界面相互作用产生背应力，促进位错由单一择优滑移转变为在多个滑移系统上的协调变形，使多级三维纳米层状双相锆合金具有更优异的强度、加工硬化和塑性变形能力。研究中提出的多级三维纳米层状双相锆合金的制备方法简单易行，很容易推广到实际锆合金的生产中。

图4：多级三维纳米层状锆合金在拉伸变形中的位错结构演化。

上述研究成果以《具有高强度、高加工硬化能力、高延展性的多级三维纳米层状双相锆合金》为题发表在著名学术期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters)。西安交通大学材料学院博士生张杰文为论文的第一作者，韩卫忠教授为论文的第一通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、国家外专局111计划和西安交通大学青年拔尖人才计划等的共同资助。相关材料制备技术已申报国家发明专利。

点击左下角“阅读原文”查看论文原文。

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