表面纳米晶化调控Zr-4合金扩散连接：界面空洞闭合与第二相粒子抑制的协同机制

　　为解决锆合金高温扩散连接中晶粒粗化、界面第二相粒子(SPPs)析出导致的力学性能下降问题，天津大学团队通过超声冲击处理(UIT)构建梯度纳米结构(GNS)，实现740-800°C低温高效连接。研究表明，纳米晶使扩散激活能降低21 kJ/mol，剪切强度提升1.6倍至376.9 MPa，揭示了空洞闭合与SPPs形成的竞争机制，为核燃料包壳精密连接提供新策略。

　　

在核反应堆安全领域，锆合金(Zr-4)燃料包壳的可靠性直接关系到核电站运行安全。传统扩散连接技术面临两难困境：高温(>800°C)虽能促进原子扩散，却会引发晶粒粗化和有害第二相粒子(Second Phase Particles, SPPs)的集中析出；而低温连接又难以消除界面空洞，导致接头强度骤降。更棘手的是，核燃料包壳对尺寸精度要求严苛，高压连接易造成变形失效。这种"高温不行，低温不能"的技术瓶颈，严重制约着新一代一体化燃料元件的开发。

天津大学材料学院团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表突破性研究，创新性地将超声冲击处理(Ultrasonic Impact Treatment, UIT)技术引入锆合金连接领域。他们发现，通过UIT在Zr-4表面构建的40微米梯度纳米结构(Gradient Nanostructure, GNS)，如同在材料表面铺设了"原子高速公路"——纳米晶粒提供超高密度晶界，位错和孪晶则储存大量能量，使扩散激活能直降21 kJ/mol。这种结构在740-800°C的"温和"温度下，就能实现传统工艺需要高温才能达到的原子扩散效率。

研究团队运用三大关键技术：超声冲击处理系统（含机器人路径控制）、聚焦离子束(FIB)微纳加工制备TEM样品、电子背散射衍射(EBSD)分析晶界特征分布。通过对比普通Zr/Zr接头与GNS-Zr/GNS-Zr接头的性能差异，揭示了纳米晶化对界面演化的双重调控机制。

超声冲击处理
采用振幅50μm、频率20kHz的UIT参数，在Zr-4表面制备出三层梯度结构：最外层为100nm超细等轴晶，中间层为纳米层片+变形晶粒，过渡区保留粗晶基体。表面粗糙度Sa从磨削态的0.12μm增至0.35μm，这种"微纳复合"形貌显著增大了扩散接触面积。

微观结构表征
EBSD分析显示纳米晶区晶界密度达3.2×10¹⁶
m/m³
，是基体的8倍。TEM观察到高密度位错缠结和{10-12}拉伸孪晶，这些缺陷储存的能量相当于使材料处于"亚稳态"，为原子扩散提供额外驱动力。

空洞闭合与SPPs的竞争关系
在760°C连接时，普通接头中Fe元素在空洞边缘富集形成Zr(Fe,Cr)₂
相，呈现"由外向内"的生长模式。而GNS接头因快速闭合空洞，SPPs尺寸减小62%，体积分数降低至1.8%，且分布更弥散。这种竞争关系被形象地描述为"空洞关闭得越快，SPPs越来不及长大"。

力学性能突破
800°C连接时GNS接头剪切强度达376.9 MPa，比普通接头提高60%。尤为关键的是，在740°C的"超低温"条件下，强度仍保持298 MPa，证明纳米晶化可大幅拓宽工艺窗口。断口分析显示，普通接头沿SPPs聚集区脆性断裂，而GNS接头呈现韧窝状延性断裂特征。

这项研究的意义不仅在于创造了锆合金连接强度的新纪录，更揭示了固态连接中缺陷调控的普适性规律：通过精准设计表面纳米结构，可以同时优化扩散动力学和相变热力学这两个传统上相互矛盾的进程。该成果为其他难焊合金（如钛合金、镍基高温合金）的低温连接提供了理论范式，尤其对核反应堆、航天器等严苛环境下的精密部件制造具有重大工程价值。研究团队特别指出，未来可进一步探索UIT参数与纳米结构特征的定量关系，以及SPPs成分调控对腐蚀性能的影响，这将推动核材料连接技术向"高强度-长寿命"协同发展。