锆合金的氧化行为(NanoSIMS)

Investigating oxidation in zirconium alloys with NanoSIMS
NanoSIMS用于研究当商业低锡锆™1和锆合金4材料暴露于腐蚀环境时的氧化机制。在高压釜中将Zr合金氧化不同时间(34天、80天和160天)以模拟加压水核反应堆条件(360°和18 Mpa下的纯水(+ Li,B))。然后加入同位素示踪剂18O和2H,继续氧化20天,以通过NanoSIMS对表面附近的横截面成像来揭示活性氧化位点。

结果:
由孔隙度介导的腐蚀状态之间的转变发生在临界氧化物厚度处。所有样品中都存在氢化物,即使是那些氧化时间短的样品。 研究发现,18O在动力学转变前后显示出不同的特征分布,这种行为与氧化物中孔隙率的发展相关,孔隙率允许腐蚀介质渗透到局部金属/氧化物界面。

上图:低锡锆 - 使用氘示踪剂的氢化物分布。颜色合并图像显示了18O(红色)、16O(蓝色)和2H(绿色)信号的相对位置。在金属/氧化物界面下方发现了氢化物(绿色),但在氧化物层中检测到很少的氘。
(A)34 + 20天:全部存在保护性氧化物(蓝色),阻止了18O-水(红色)渗透,
(B)80 + 20天:太厚、破裂、原始氧化物(蓝色)不再具有保护作用,让18O-水(红色)渗入并氧化金属,
(C)160 + 20天:这种新的紧凑保护层(蓝色下层)禁止18O-水导致氧化。

本研究说明了NanoSIMS的三大优势:
  • 与TEM或原子探针相比,NanoSIMS可以查看和对更大的样品区域成像,从而提供更具代表性的样品概览。
  • 即使在低浓度下,NanoSIMS也可以映射轻元素,如硼和氘(2H)。
  • NanoSIMS允许使用稳定同位素(D、13C、18O、15N、…)来跟踪固体中的化学反应。
资料来源:用同位素示踪剂和高分辨率SIMS研究锆合金的氧化行为。Sean S. Yardley, Katie L. Moore, Na Ni Jang Fei Wei, Stuart Lyon, Michael Preuss, Sergio Lozano-Perez, Chris R.M.Grovenor.核材料期刊 443(2013)436-443。