沿α-Zr和β-Zr 20％Nb晶界的共同扩散

C.CorvalánMoya，M. J. Irbaren和F. Dement

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Azojomo（ISSN 1833-122X）第4卷2008年7月4日

主题涵盖

抽象的
介绍
实验程序
结果和讨论
动能B型
动态类型C
讨论
结论
确认
参考文献
联系方式

抽象的

沿晶界（GB）和间隔边界（IB）的原子传输在大量冶金过程中起着关键作用。

GB或IB扩散系数的实验确定与相应的散装扩散非常相似，主要差异是穿透和漫射器浓度之间的关系。在此框架中，哈里森的分类允许我们处理不同的动力学（类型A，B和C）。B型和C动力学的适当就业在不同的温度范围内提供了不仅获得扩展扩散参数的机会，而且有关晶界中“表观扩散系数”中包括的物理因素的其他信息（P = S D._GB.）。

本文沿纯净的晶界钴的扩散参数α.-ZR呈现。为了覆盖一系列技术兴趣的温度，研究了间隔430-633k。采用了B型和C型动力学的铃木和高斯解。此外，根据B动力学，β-ZR 20％Nb沿β-ZR 20％Nb的晶界的扩散参数呈现在710-875k的温度间隔。

结果表明，钴的表现为超快速扩散器α.-ZR和β-ZR 20％NB晶界。在α.-ZR，B和C动力学之间的比较允许我们估计分离因子，其温度依赖性，从而估计，获得D的真实值_GB.即使在仅可用的温度范围内。

关键词

扩散，纯Zr，Zr-Nb合金，晶界，隔离

介绍

原子沿晶界(GB)和相间界(IB)的输运速度比块体晶体快几个数量级。因此，GB和BI在大量冶金过程中发挥着关键作用，如塑性变形、高温腐蚀、固态转变、表面处理和基体中析出相的稳定性。

由于其优异的耐腐蚀性，机械性能和核特性，Zr基合金（主要是锆律和Zr 2.5％NB）广泛用于核和化学工业。它们通常用于多晶形式，表现出高密度的GB和1B。

在这种情况下，散装和GB和IB中的溶质和自扩散研究与基本和应用的观点相关。在大多数核电装置中，Fe，Co，Ni和Cr通常在与Zr接触的装置中作为溶质或杂质存在。例如，使用不同类型的钢板，包括不锈钢，与锆瓦尔或Zr-Nb合金一起使用。Fe，Co，Ni和Cr等元素显示扩散系数，比Zr中的自扩散快几个数量级，它们通常被称为超快速扩散器。

除了对于散装散射之间的散装和渗透之间的关系，散射的散射系数的实验确定类似于散装的漫射系数。近似线性而不是抛物线。

实验程序

将该物质切成0.75cm 2表面积约0.75cm 2的样品。它们用1微米金刚石糊状机械抛光整理。一些样品用于金相目的，以便将实际形态与数学模型相关联，以正确应用不同可能的动力学。Zr-20％Nb样品在1223 k下退火2小时，然后淬火，获得稳定的晶界网络结构，而纯净α.-ZR样品显示出小晶粒尺寸的稳定结构。

放射线电器60Co是在阿根廷国家原子能扩展的实验室中获得的。

在核反应堆RA1中照射钴粉;计算照射时间，以便获得适合我们实验的最小活性。对于共同溶解两种不同的试剂：硝酸和盐酸。作为第一次尝试，使用非辐照CO。根据这种经验，选择硝酸，因为它产生少量的活性溶液，并且在较短的时间内完成溶解。此外，根据从参考书目获得的数据，优先考虑硝酸的硝酸减少了样品腐蚀引起的损伤，如果发生这种情况，则会扰乱扩散结果。因此，在HNO中获得了60CO_3.溶液和将其直接沉积到样品的抛光表面上，以使延伸耦合。将样品用高纯度钽箔包裹并在石英管中密封真空，具有轻微的高纯度氩气。在具有P + I + D电子控制的Adamel电炉中进行扩散退火，精度为±1k。

稍后，径向转动样品，以确保从沉积的面部的平坦的前沿扩散。样品的切片在精密磨损机中进行。除去层的厚度由每个切片后的样品的重量差异确定。测量用10个测量^-5G精度电子平衡;所涉及的材料的密度和样品的面积是已知的。

采用INA（TL）阱检测器以测量层的活动（浓度），通过多通道分析器装置收集和分析该信息。

谷物边界扩散参数P估计引用的误差约为15％_GB.和D._GB.．

结果和讨论

晶粒边界的扩散是一种复杂的过程，包括串行元素过程：

• 来自样品表面的散装扩散
• 沿着GB的扩散
• 来自GB的散装扩散

根据这些过程的相对重要性，可能会导致不同的情况或动力学。哈里森[1]允许我们处理三种不同的动力学：类型A，B和C.我们将为这项工作中使用的B和C动力学进行对应的表达式。

动能B型

主要流程：沿GB的扩散和GB的散装扩散。
100 D <散装扩散距离=（DT）^1/2其中d为平均晶粒尺寸，a为国标厚度。然后我们可以应用费雪关于孤立GB的[2]模型。
在该框架中，为了获得穿透配置文件，应用了以下等式：

恒流

（1）

瞬时源泉

（2）

其中S是分离因子;d是散装扩散系数和p_GB.=δ.D._GB.是实验可测量的参数，称为“表观扩散系数”。B动力学是越采用的，因为它允许扩散退火的合理时间和温度。

图1。扩散B动力学的示意图。

动态类型C

主要过程：沿GB扩散。从表面和GB的散装扩散毫无意义。

该动力学中的穿透轮廓，相当于散装扩散，是高斯（瞬时源）或误差函数（恒定源）。D._GB.直接测量。对于高斯解

c（x，t）= co exp（-x²/ 4 d_GB.t)（3）

其中CO是初始扩散器浓度。

图2。扩散C动力学的示意图。

图3显示了在中获得的B动力学中的典型渗透曲线α.zr GB。

图3。GB扩散在α.zr型。B动能。

使用来自Vieregge和Herzig的数据测定使用该动力学进行的实验的温度和退火时间[3]。在该工作中使用的温度范围非常低，并且计算的最大平均块扩散距离为0.4μm。随着晶粒尺寸在7到10μm之间，可以考虑我们具有B动力学所必需的晶粒边界。当浓度曲线跟随使用的模型时，不需要在相同时间的实验中被认为是不必要的。重要的是要评论结构的结构α.-Zr样品在扩散退火过程中保持不变。这是因为一种可能的变化，例如晶粒尺寸，将与Zr块体自扩散有关。根据前人的工作，Co[4]是一个扩散体，比Zr自扩散[5]快9个数量级。从[3]中可以看出，这与GB扩散相似:Co扩散沿α.-ZR GB是在该工作中涉及的温度范围内的Zr GB自扩散速度快八个数量级。估计CO中的最大分离时α.-ZR，[3]的作者认为，大约四十年的这种差异必须归因于不同的GB扩散系数。
对于B型动力学，P_GB.是实验测量的值;这些值在表1中给出。

表格1。“表观扩散系数”α.-Zr.-ZR GB.

T / K.	T / S.	P.GB./ M.3.S.-1
546.	976320	（9.7±1.4）x10-23
573.	106200.	（6.0±0.9）X10-22

图4显示了所获得的C动力学中的典型渗透曲线α.zr GB。

图4。GB扩散在α.zr型。C动能。

在动力学C型的情况下，实验测量的值是d_GB.直接地。此动力学的重要性是，我们不需要知道GB厚度和分离因子的值。该工作中的测量值如表2所示。

表2。扩散的解α.-Zr.GB.

T / K.	T / S.	D.GB./ M.2S.-1
430.	1296000.	（6.0±0.9）X10-19年
440.	83448	（1.0±0.1）X10-17年
460.	61920.	（8.7±1.3）X10-17年
487	1200	（2.6±0.4）X10-15年

在图5中，Arrhenius Plot显示了先前的实验数据[3]和此工作的结果：B动力学，P中的测量_GB.和产品a。D._GB.在c动力学中。可以看出，在较低温度下，偏析因子的影响更为重要。

图5。Arrhenius图CO扩散沿外α.zr GB。B和C动力学。

对于Zr-20％Nb中的扩散，图6显示了动力型B中的典型渗透轮廓，表3给出了p_GB.测量值。

图6。GB在Zr-20%Nb中的扩散。B动能

表3。表观扩散系数“在β-ZR 20％NB GB中

T / K.	T / S.	P.GB./ M.3.S.-1
710.	4233600.	（1.3±0.2）X10-21
740.	1296000.	（4.1±0.6）X10-21
775.	388800	（5.5±0.8）X10-20
880.	175200	（2.3±0.3）X10-19年
875.	20160年	（1.2±0.2）X10-18年

图7。Arrhenius图CO扩散沿外ß.-ZR-20％NB GB。

讨论

这项工作提出了CO中的纯净的扩散结果α.-Zr在温度范围内430-633 K和CO中的CO扩散ß.-ZR 20％NB在温度710-875 K.中α.这是第一次应用C型动力学。

结果表明，CO是纯粹的GB中的超快速扩散器α.-zr和ß.-ZR 20％NB，因为它是散装α.zr型。在这两种情况下，GB和散装扩散之间的关系[5,6]是大约10^6.，与短路路径扩散理论相一致。在这两种材料中，欧洲杯足球竞彩阿伦尼乌斯图是直的，表明了一种独特的扩散机制的操作。

在α.-zr，p的测量值_GB.在B型动力学中显示出良好的巧合，在[3]中测量的值。杂质浓度，特别是Fe，在两种材料中非常相似（192ppm在[3]，我们的情况下，138ppm），主要差异是o含量，在我们的情况下更大。欧洲杯足球竞彩

通过对B和C动力学的比较，我们可以得到Co的偏析因子s的直接评价α.-ZR GB，根据等式（4）

（4）

为了计算p之间的比率_GB.和D.D._GB.我们需要考虑vieregge和Herzig在较低的温度下工作;然后有必要考虑作者对这些价值观的分析。为了解释在600 k以下获得的较低激活能量，它们认为晶界不同扩散路径的共存可能性，然后是活化能量最低的那些过程的优势。他们还认为，在可能导致与亨利型分离行为中偏差的晶界中所得的新阶段的新阶段，诸如Fe的强烈偏析杂质的可能性。在[3]中，与在较高温度（192ppm）的用途相比，用于较低温度用于较低温度的材料的Fe含量非常低（20ppm）。最后，他们提到了使用过大的Co散装扩散值，D，用于计算P的表达式的可能性_CO.．如果在[3]所覆盖的整个温度范围内得到一条直线，则意味着Co在阿伦尼乌斯体扩散图有一个强烈的向下曲率α.-Zr，因为D的平方根出现在(1)或(2)式中。在本工作中，我们没有忽略曲率的可能性。事实上，在Pérez, Nakajima和Dyment[7]的工作中，这一特征被仔细分析。然而，公司的所有正向曲率_GB.在α.- 在[3]中获得的Zr不会被Co散装扩散的负曲率取消α.-Zr在[7]中讨论。考虑到前面的论点和事实，我们已经测量使用两种动力学，离析系数值的第一个近似值可以作出。

假设a = 5x10计算不同温度下的s的值^－10m。它们在表4中给出。“S”显示了温度的重要变化，从大约50到15000到50 k，如图8所示。

表4。共同分离因子α.zr GB。

T / K.	P.GB./ M.3.S.-1	D.GB./ M.2S.-1	S.
430.	4,5x10.-24	6x10.-19年	15000±4500.
440.	6x10.-24	1 x10-17年	1200±360.
460.	1 x10-23	8,7×10.-17年	230±69
487	6x10.-23	2,6x10-15年	46±14

图8。CO中的GB隔离因子的温度依赖性α.zr型。

考虑到Fe对Co扩散的可能影响以及[3]和本工作中Co含量的不同，我们认为在[3]和本工作中，P的比例很小_GB./ d d_GB.不能归因于纯粹的隔离因素。可以假设S值的小不确定性，考虑到低温Vieregge和Herzig使用纯Zr，仅具有20ppm的Fe。这一点值得进一步调查，我们正在朝这个方向工作。

图9为:pure中Co - GB扩散的Arrhenius图α.-Zr (Vieregge and Herzig´s work [3] and the present work) and in ß-Zr 20% Nb (present work);作为比较，在α./β1B扩散在Zr 2.5％Nb [6]中。首先，观察到在纯粹的GB扩散之间减少约4个级数α.-Zr和Zr-20%Nb在GB和Zr-2.5%Nb在IB中的扩散率。随着Nb含量的增加，扩散率在IB扩散Zr-2.5%Nb和GB扩散Zr-20%Nb之间略有降低;在测量的温度范围内，这种差异仍保持在一个数量级之内。需要注意的是，涉及到两种不同的短路路径:本工作中的纯GB和α./ß1b在[6]中。出现一个问题：与其他短路路径相比，与晶界沿晶界的不同扩散机制有关的差异，或者是主要负责差异的分离因子？

图9。arrhenius co gb沿纯净的扩散α.-Zr，β-Zr 20％Nb和Zr 2.5％Nb中的扩散。

在[6]对于CO的[8]中，对于CR，它被解释为在Zr 2.5％Nb中的IB扩散中，由于CO和CO和CO的溶解度非常有限，因此在所述短路中的复杂机制中的A相动作用。在A相中的CR。如果是这种情况，似乎对于共同扩散，与β相的存在相比，合金中存在的Nb的量是二阶效应。此主题值得更加享受更多数据，我们正在朝此方向工作。

与P_GB.在纯粹α.-zr与p相比_GB.Zr-20%Nb和P_IB.在Zr-2.5％Nb中（基于图9以及表IV），分离因子只能在高温区域中的P's差异中解释一个和两个数量级。所以，D_GB.在α.-Zr至少比D高两个数量级_GB.（在α.-ZR-20％NB）和D_IB.（在α.-ZR /βZR-2.5％NB）分别。

结论

本文介绍了温度范围430-633k中纯A Zr中的CO的扩散的结果，以及在710-875K的温度范围内的βZr 20％Nb中的CO扩散。α.-Zr这些是应用动力学C型的第一个结果。

结果表明，CO是纯粹的GB中的超快速扩散器α.-zr和β-zr 20％nb，因为它在散装中α.zr型。在这两种材料中，欧洲杯足球竞彩阿伦尼乌斯图是直的，表明了一种独特的扩散机制的操作。

在α.-zr，p的结果_GB.在动力学B型中，B良好地吻合[3]中测量的值。这一事实和B和C动力学之间的比较让我们能够直接评估CO中的CO的分离因子S.α.-ZR GB;将此估计扩展到更高的温度，只有P_GB.可用，D的外推_GB.值(C型动力学)似乎是适用的。因此,公司维_GB.在α.-zr似乎至少是d的至少两个数量级_GB.在ß-Zr-20%Nb和D_IB.在α.zr /ß- zr - 2.5%分别nb。

确认

作者希望感谢CONICET (PIP n°5322)和agency Nacional de Promoción Científica y Tecnológica (PICT 20479)对所获得资助的支持。

参考文献

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3.维雷格(K. Vieregge)和克里斯?贺志强，“α -锆的晶界扩散:第二部分:快速扩散的钴块体间隙”，原子核学报。王志强，王志强。
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5. J. Horvath，F.染料和H. Mehrer，“在锆的单晶中的异常自我扩散”，J.Uncl。垫子。，126（1984）206-214。
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联系方式

*C.CorvalánMoya.和M. J. Irbarren. ComisiónnacionaldeEnergíaatómica（CNEA） 解放者大道8250号(1429)布宜诺斯艾利斯 Rechública阿根廷 电子邮件：(电子邮件保护)

C.CorvalánMoya和F.染料 Consejo Nacional deInvestigacionescientíficasytécnicasde laRechública阿根廷（Conicet）

本文还发表于“材料及材料加工期刊技术的进展，9 [2]（2007）161-166”。欧洲杯足球竞彩