Sn 对锆及其氢化物中广义层错能面的影响

锆合金燃料包壳中的氢脆是水冷核反应堆的主要安全问题。在此，我们研究了 Sn（Zircaloy-4 包壳所用的主要合金元素）对形成中氢化物内平面缺陷的稳定作用。为解释实验中观察到的氢化物和平面缺陷的形成，我们进行了原子尺度第一性原理计算，重点关注溶质与 hcp $\alpha$-Zr 及 fcc 锆氢化物中广义层错的交互作用。我们的计算表明，Sn 浓度的增加会导致 $\alpha$-Zr 和氢化物相中层错均趋于稳定。然而，与其他氢化物相相比，Sn 在 $\alpha$-Zr 中的溶解焓更低，这表明在 Zr 氢化物/基体界面处存在 Sn 耗尽/富集两种竞争过程。实验发现证实了这一点：Sn 被氢化物排斥，主要被困在界面和平面缺陷处，表明氢化物相内部存在层错。我们的系统研究使我们能够理解溶质在氢化物相中的存在与分布，从而深入认识此类合金在服役寿命期间性能微观结构演变的机制。