《Acta Materialia》：三维原子探针揭示锆合金纳米结构奥秘！

2025-08-05 14:37:16 作者：本网发布来源：网络分享至：

锆合金是核反应堆中广泛采用的燃料包壳材料，其服役性能在很大程度上依赖于微观组织中的第二相粒子。第二相的成分与分布特征直接影响锆合金的力学性能与耐腐蚀行为。近年来，在 Zr-Nb-Fe 体系中，金属间相的准确识别长期存在争议。本研究结合三维原子探针（APT）、扫描透射电子显微镜（STEM）、透射菊池衍射（TKD）以及密度泛函理论（DFT）计算，证实此前普遍认为的Zr(Nb,Fe)₂相更可能为Nb含量约为35 at.%的(Zr,Nb)₃Fe金属间相。研究计算了 β-Nb/α-Zr、(Zr,Nb)₃Fe/α-Zr 界面及晶界处的界面过量。结果显示，Fe 在β-Nb 析出相与α -Zr 基体的界面处发生明显偏聚；Fe、Sn 和 Nb 在α -Zr 晶界处也表现出偏聚行为；而在β-Nb/ α -Zr 界面上未观察到 Sn 的偏聚，在金属间相/ α -Zr 界面及晶界处则观察到轻微的 Sn 偏聚。

近日，悉尼大学Julie Cairney教授团队在金属材料领域顶刊《Acta Materialia》发表研究论文，题为“Atomic distribution of alloying elements and second phase particles(SPPs) identification in Optimised ZIRLO”，该研究利用三维原子探针技术，深入揭示了先进锆合金中合金元素分布与第二相颗粒的纳米结构特征。黄思煜博士为第一作者，Julie Cairney教授为论文通讯作者。该成果为理解优化型 ZIRLO 合金中第二相类型、晶界偏聚行为及其对力学性能与耐腐蚀性的影响提供了关键的原子尺度证据，不仅澄清了长期存在的金属间相结构争议，还为后续先进核用锆合金的设计与性能优化提供了重要参考。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121365

核心创新点

澄清第二相争议：首次在原子尺度上明确优化型 ZIRLO 合金中主导金属间相为 (Zr,Nb)₃Fe，相较传统认知的 Zr(Nb,Fe)₂，更符合成分与热力学稳定性。
多尺度联合表征：通过APT/STEM/TKD联用，实现对第二相结构、界面行为与溶质分布的精细解析，结合DFT计算提供理论支撑。
揭示界面偏聚机制：量化了β-Nb 和金属间相与α-Zr界面的Fe富集现象，并系统分析Fe、Sn、Nb、Cr在晶界处的偏聚特征。

图1：（a）BC图；（b）TKD Z方向反极图；（c）优化ZIRLO 薄片的TKD局部取向偏差图，叠加在 BC 图上展示。子晶角度设置为 2°，其中绿色表示晶界偏差角在 2–15°之间，蓝色表示偏差角大于 15° 的高角度晶界。

图2：(a) 优化ZIRLO的STEM HAADF图像，图中标注了氢化物的位置；(b)和(c)分别为图 2(a) 中 Fe 和 Nb 的 EDS 元素分布图；(d) 为图 2(a) 中标注区域 1 的 STEM HAADF 图像；(e) 和 (f) 分别为图 2(d) 中 Fe 和 Nb 的 EDS 分布图，显示为 β-Nb 相；(g) 为图 2(a) 中区域 2 的 STEM HAADF 图像；(h)和(i)分别为图2(g)中Fe和Nb的EDS分布图，显示同时存在β-Nb相和金属间相。(j)–(l) 为三种典型相的原子分辨 STEM-HAADF 图像，分别对应：(j) [110]方向观察下的六方密排 (HCP) α-Zr；(k) [111]方向观察下的体心立方 (BCC) β-Nb；(l) [110]方向观察下的 Zr-Nb-Fe 金属间相，索引为正交晶系 Cmcm 空间群结构。图中插图为图像的二维快速傅里叶变换（FFT），用于确定晶体取向。其中(l)图像所示的金属间相为图2(i)中分析的同一颗粒。

图 3：三维原子探针重构图：(a) Zr、(b) Nb 和 (c) Fe 离子的分布，数据采集自 Invizo 6000；(d) 和 (e) 分别为 N1 和 N2 析出相的局部放大图，展示 Fe 在 β-Nb 与 α-Zr 基体界面处的偏聚行为。(e) 中的 Fe 以球形渲染以增强可视性。

图4：α -Zr基体与β-Nb析出相界面的STEM分析图：(a) HAADF 图像；EDS 元素分布图(b) Zr，(c) Nb，(d) Fe。

图5：一个金属间相的三维重构：(a) Zr、(b) Nb、(c) Fe、(d) Sn 和 (e) Cr，Invizo 6000采集数据。

图6：(a) Fe 原子的重构位置图，展示了高角度晶界 GB1 以及从其延伸出的低角度晶界；(b) Fe 原子在晶界区域的俯视图，图中黑色斑点表示远离晶界的 Fe 原子团簇。(a) 图中的黑色箭头指示了 (b) 图所对应的观察方向，反之亦然。蓝色箭头表示低角度晶界的取向角度，红色箭头标出了采集中因多通道板污染产生的“热点”像素。该热点像素已在后续微区分析中完全剔除，不影响数据分析结果。