锆合金具(jù)有(yǒu)優異的核性能(néng)，它的熱中(zhōng)子吸收截面小(xiǎo)，比許多(duō)金屬結構材料低，堆内輻照後，傳熱性能(néng)和抗腐蝕性能(néng)好，故锆合金常用(yòng)于核動力反應堆包覆材料和其他(tā)結構材料[1]。由于锆合金大量應用(yòng)于水冷反應堆，其在高溫條件下與水蒸汽反應（Zr+2H2O→ZrO2+2H2）析出的氫一部分(fēn)留于水中(zhōng)，一部分(fēn)被锆吸收，這就是“吸氫”現象。由于氫在锆中(zhōng)的固溶度有(yǒu)限，一旦超出固溶度就會析出氫化锆相，該相是脆性相，容易産(chǎn)生微裂紋，使材料韌性和強度降低，從而使材料變脆[2]。因此研究锆合金在含有(yǒu)氫或水蒸汽的氣氛的性能(néng)具(jù)有(yǒu)重要的工(gōng)程意義。
以檢測氫化物(wù)取向因子（Fn）評價锆合金“吸氫”性能(néng)。國(guó)内锆合金Fn檢測中(zhōng)的滲氫基本采用(yòng)高壓釜滲氫，操作(zuò)複雜、時間長(cháng)、安(ān)全系數較低，而國(guó)外多(duō)采用(yòng)氣體(tǐ)滲氫，具(jù)有(yǒu)操作(zuò)簡單、時間短、安(ān)全系數較高等優點，便于推廣。滲氫是後續檢測的基礎，隻有(yǒu)達到标準要求的滲氫含量和狀态才可(kě)以正确檢測，所以隻有(yǒu)穩定控制滲氫工(gōng)藝，才能(néng)将影響氫化物(wù)結果的實驗過程因素降到最低。本文(wén)系統地探讨了滲氫時間、滲透擴散機理(lǐ)以及幹法滲氫效果等因素對锆合金管材氣體(tǐ)滲氫過程的影響。
1. 實驗設備與過程
1.1 氣體(tǐ)滲氫設備
氣體(tǐ)滲氫實驗采用(yòng)的是氣體(tǐ)滲氫系統。按照GB/T 38913—2020标準中(zhōng)規定的設備和方法開展實驗。氣體(tǐ)滲氫過程是将試樣放在石英管中(zhōng)，通入1.5%（體(tǐ)積分(fēn)數）氫氣和其餘為(wèi)氩氣的混合氣，在加熱爐内加熱到400 ℃保溫數3~6 h後冷卻，使锆合金管材中(zhōng)氫化物(wù)析出。
1.2 氫滲透過程計算模型
滲氫過程實際上是非穩态擴散，符合菲克第二定律，示意圖如圖1所示。
圖1表示兩個垂直于x軸的單位平面，而間距為(wèi)dx，若J1和J2表示擴散時流入兩平面的擴散通量，兩面之間的溶質(zhì)濃度随時間的變化率為(wèi)∂C/∂t，在dx範圍的微體(tǐ)積中(zhōng)溶質(zhì)的積累速率為(wèi)
式中(zhōng)，D為(wèi)擴散系數，C為(wèi)擴散物(wù)質(zhì)的體(tǐ)積濃度。如若将擴散系數看作(zuò)常數，氣體(tǐ)滲氫在富含一定濃度的氫氣、氩氣混合氣體(tǐ)中(zhōng)進行，假設氫在α-Zr中(zhōng)的擴散系數是常數D，計算公(gōng)式為(wèi)D=4.74×10−4e−5940/RT�=4.74×10−4e−5940/��（400 ℃下，氫在α-Zr内的擴散系數為(wèi)6×10−6 cm2/s）。
初始條件t=0，C=C0, C0為(wèi)α-Zr的原始含氫量，邊界條件t>0，x=0，C=Cs；x=∞，C=C0，即假定滲氫一開始，表面氫氣濃度Cs，并能(néng)一直保持這個濃度。
對于上述條件，氣體(tǐ)滲氫常用(yòng)誤差函數分(fēn)布作(zuò)為(wèi)解，即
式中(zhōng)，erf為(wèi)誤差函數，其中(zhōng)Zr在400 ℃為(wèi)（hcp）結構，假設混合氣體(tǐ)中(zhōng)1.5%的氫完全占據了Zr管材表面一層單晶胞（hcp）的12個四面體(tǐ)間隙，此時表面得到的氫濃度就是滲氫初始時表面的濃度Cs。
即：Cs≈164×10−6 代入式（2）中(zhōng)得
依據該模型，查誤差函數表可(kě)得：t≈4 h。
1.3 實驗過程
本實驗采用(yòng)同一批次的ϕ9.5 mm锆合金管材，狀态為(wèi)消應力退火，在1.5%（體(tǐ)積分(fēn)數）氫氣和其餘為(wèi)氩氣的混合氣氣氛條件下，加熱到400 ℃後，根據計算模型，分(fēn)别選取保溫時間3.5、3.75、4、4.25、4.5、4.75、5和5.25 h，實驗結束後分(fēn)别對不同保溫時間的試樣進行顯微組織觀察和氫含量測試。
2. 實驗結果
圖2為(wèi)不同保溫時間锆合金管材顯微組織照片，對應的氫含量結果如表1。圖2（a）中(zhōng)氫化物(wù)析出較少（小(xiǎo)于100×10−6），氫化物(wù)多(duō)短小(xiǎo)（标準要求長(cháng)度大于15 mm），不能(néng)準确有(yǒu)效檢測Fn；圖2（b）顯示氫化物(wù)析出合适（150×10−6左右），該氫化物(wù)較均勻、長(cháng)短适宜，未纏繞[3]，能(néng)夠清晰反映出該管材整體(tǐ)氫化物(wù)取向的特征，達到評判的标準對氫含量的要求，便于Fn檢測；圖2（c）顯示氫化物(wù)析出較多(duō)（大于170×10−6），該氫化物(wù)片層多(duō)纏繞在一起，不能(néng)準确計算徑向和周向的數量，不能(néng)夠有(yǒu)效檢測Fn。
