高温氢吸收过程中纯钇内钇氢化物的微观结构演变机制及其核应用价值

【编辑推荐】为解决金属氢化物中子慢化剂在高温核反应堆中的微观结构演化机制问题，研究人员通过TEM（透射电镜）和EBSD（电子背散射衍射）技术系统研究了纯钇(Y)中δ-YH2 的成核-聚集行为，发现其通过Shockley不全位错滑移和原子重排实现相变，并揭示孪晶变体共存作为应力协调机制。该研究为高稳定性中子慢化剂设计提供了关键理论依据。

　　

在核能领域，金属氢化物因其高氢密度和高温稳定性成为新一代中子慢化剂的理想候选。传统水慢化剂在400°C以上需承受极端压力，而钇氢化物(YH_x
)可在800-1200°C稳定工作，被美国能源部选为微型堆Transformational Challenge Reactor的核心材料。然而，氢吸收导致的钇基体开裂问题长期制约其应用，其微观机制尚不明确。中国核工业集团联合中国科学院金属研究所团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表研究，首次揭示了纯钇高温氢化过程的微观动力学机制。

研究采用电弧熔炼纯钇(99.99%)，通过热轧和850°C退火制备样品，利用可控氢气氛装置实现不同氢含量(H/Y=0.29-1.86)的氢化，结合TEM和EBSD进行多尺度表征。

【形态与分布】低氢含量(H/Y≈0.29)时δ-YH₂
以片层状优先在晶界形核，随氢含量增加(H/Y>1.5)形成三维网状结构。EBSD证实δ相存在δ₁
/δ₂
两种孪晶取向，遵循{0001}_α
||{111}_δ
，<1^ˉ
210>_α
||<1^ˉ
10>_δ
的取向关系。

【相变机制】α-Y(HCP)到δ-YH₂
(FCC)的转变通过Shockley不全位错(partial dislocation)在(0001)_α
面滑移完成，伴随原子重排。初级变体δ₁
诱导次级孪晶变体δ₂
形成，二者呈{111}<112^ˉ

孪晶关系，协同缓解晶格畸变应力。

【晶界影响】大角晶界促进δ相非均匀形核，而小角晶界抑制氢扩散。γ-YH₃
因12%体积膨胀被证实需严格避免。

该研究阐明了钇氢化物"孤立形核-孪晶协调-三维生长"的演化规律，提出通过控制氢含量(<1.86 H/Y)和晶界工程可优化材料性能。其发现的相变位错机制为其他HCP金属氢化物(如ZrH_x
)研究提供了范式，对开发新一代高温反应堆慢化剂具有重要指导意义。论文通讯作者Liangyin Xiong强调，该成果已应用于中国核工业集团"领创计划"的慢化剂研发。