鋯合金是核反應堆中廣泛采用的燃料包殼材料，其服役性能在很大程度上依賴于微觀組織中的第二相粒子。第二相的成分與分布特征直接影響鋯合金的力學性能與耐腐蝕行為。近年來，在 Zr-Nb-Fe 體系中，金屬間相的準確識別長期存在爭議。本研究結合三維原子探針（APT）、掃描透射電子顯微鏡（STEM）、透射菊池衍射（TKD）以及密度泛函理論（DFT）計算，證實此前普遍認為的Zr(Nb,Fe)?相更可能為Nb含量約為35 at.%的(Zr,Nb)?Fe金屬間相。研究計算了 β-Nb/α-Zr、(Zr,Nb)?Fe/α-Zr 界面及晶界處的界面過量。結果顯示，Fe 在β-Nb 析出相與α -Zr 基體的界面處發生明顯偏聚；Fe、Sn 和 Nb 在α -Zr 晶界處也表現出偏聚行為；而在β-Nb/ α -Zr 界面上未觀察到 Sn 的偏聚，在金屬間相/ α -Zr 界面及晶界處則觀察到輕微的 Sn 偏聚。

近日，悉尼大學Julie Cairney教授團隊在金屬材料領域頂刊《Acta Materialia》發表研究論文，題為“Atomic distribution of alloying elements and second phase particles(SPPs) identification in Optimised ZIRLO”，該研究利用三維原子探針技術，深入揭示了先進鋯合金中合金元素分布與第二相顆粒的納米結構特征。黃思煜博士為第一作者，Julie Cairney教授為論文通訊作者。該成果為理解優化型 ZIRLO 合金中第二相類型、晶界偏聚行為及其對力學性能與耐腐蝕性的影響提供了關鍵的原子尺度證據，不僅澄清了長期存在的金屬間相結構爭議，還為后續先進核用鋯合金的設計與性能優化提供了重要參考。

論文鏈接：

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

核心創新點

• 澄清第二相爭議：首次在原子尺度上明確優化型 ZIRLO 合金中主導金屬間相為 (Zr,Nb)?Fe，相較傳統認知的 Zr(Nb,Fe)?，更符合成分與熱力學穩定性。

• 多尺度聯合表征：通過APT/STEM/TKD聯用，實現對第二相結構、界面行為與溶質分布的精細解析，結合DFT計算提供理論支撐。

• 揭示界面偏聚機制：量化了β-Nb 和金屬間相與α-Zr界面的Fe富集現象，并系統分析Fe、Sn、Nb、Cr在晶界處的偏聚特征。

圖1：（a）BC圖；（b）TKD Z方向反極圖；（c）優化ZIRLO 薄片的TKD局部取向偏差圖，疊加在 BC 圖上展示。子晶角度設置為 2°，其中綠色表示晶界偏差角在 2–15°之間，藍色表示偏差角大于 15° 的高角度晶界。

圖2：(a) 優化ZIRLO的STEM HAADF圖像，圖中標注了氫化物的位置；(b)和(c)分別為圖 2(a) 中 Fe 和 Nb 的 EDS 元素分布圖；(d) 為圖 2(a) 中標注區域 1 的 STEM HAADF 圖像；(e) 和 (f) 分別為圖 2(d) 中 Fe 和 Nb 的 EDS 分布圖，顯示為 β-Nb 相；(g) 為圖 2(a) 中區域 2 的 STEM HAADF 圖像；(h)和(i)分別為圖2(g)中Fe和Nb的EDS分布圖，顯示同時存在β-Nb相和金屬間相。(j)–(l) 為三種典型相的原子分辨 STEM-HAADF 圖像，分別對應：(j) [110]方向觀察下的六方密排 (HCP) α-Zr；(k) [111]方向觀察下的體心立方 (BCC) β-Nb；(l) [110]方向觀察下的 Zr-Nb-Fe 金屬間相，索引為正交晶系 Cmcm 空間群結構。圖中插圖為圖像的二維快速傅里葉變換（FFT），用于確定晶體取向。其中(l)圖像所示的金屬間相為圖2(i)中分析的同一顆粒。

圖 3：三維原子探針重構圖：(a) Zr、(b) Nb 和 (c) Fe 離子的分布，數據采集自 Invizo 6000；(d) 和 (e) 分別為 N1 和 N2 析出相的局部放大圖，展示 Fe 在 β-Nb 與 α-Zr 基體界面處的偏聚行為。(e) 中的 Fe 以球形渲染以增強可視性。

圖4：α -Zr基體與β-Nb析出相界面的STEM分析圖：(a) HAADF 圖像；EDS 元素分布圖(b) Zr，(c) Nb，(d) Fe。

圖5：一個金屬間相的三維重構：(a) Zr、(b) Nb、(c) Fe、(d) Sn 和 (e) Cr，Invizo 6000采集數據。

圖6：(a) Fe 原子的重構位置圖，展示了高角度晶界 GB1 以及從其延伸出的低角度晶界；(b) Fe 原子在晶界區域的俯視圖，圖中黑色斑點表示遠離晶界的 Fe 原子團簇。(a) 圖中的黑色箭頭指示了 (b) 圖所對應的觀察方向，反之亦然。藍色箭頭表示低角度晶界的取向角度，紅色箭頭標出了采集中因多通道板污染產生的“熱點”像素。該熱點像素已在后續微區分析中完全剔除，不影響數據分析結果。

本研究通過原子尺度的高精度分析，系統厘清了優化型 ZIRLO 合金中第二相的真實成分及其與晶界之間復雜的界面行為。這不僅為Zr-Nb-Fe 合金體系中長期存在的金屬間相認知爭議提供了關鍵證據，也進一步強調了 Fe、Nb、Sn 等溶質元素在晶界和相界處的偏聚行為對材料服役性能的深遠影響。

研究結果顯示，Fe 在 α-Zr 基體中溶解度極低，因而具有強烈的偏聚驅動力，這種界面富集行為有助于增強晶界強度并改善耐腐蝕性能。同時，通過 DFT 熱力學分析揭示的 (Zr,Nb)?Fe 相形成傾向，為今后鋯合金第二相設計提供了理論依據。

這些成果不僅為核工業中鋯合金的組織調控與性能提升提供了重要指導，也展示了三維原子探針結合多尺度表征和第一性原理計算在先進核材料研究中的巨大潛力。未來，結合服役環境下的輻照行為、氫遷移機制等研究方向，將進一步推動對鋯合金性能演化機制的深入理解，加速新一代高性能核燃料包殼材料的開發進程。