Typical Zirconium Alloys Microstructures in Nuclear Components

Abstract

The different microstructures typically found in nuclear components made of zirconium alloys are discussed in this paper. These include material in a variety of thermo-mechanical conditions, e.g., cold rolled, stress relieved, recrystallized, welded, biphasic, together with minority second phases belonging to the original material or incorporated due to in-service conditions. The anisotropic crystalline structure of zirconium is exploited in microscopical observations by means of polarizer filters that enhance the contrast between different grains, and greatly aid the identification in most microstructures. Most microstructural variations across a wide range of length-scales, such as those produced by welding processes, can be effectively resolved by traditional optical microscopy (OM). However, some finer microstructures like those found in CANDU1 (CANada Deuterium Uranium) reactor pressure tube material, or some minority second phase particles like the Zr(Fe,Cr)2 precipitates in Zircaloy-4 cannot be completely resolved by this technique. Thus, scanning electron microscopy (SEM), and transmission electron microscopy (TEM) are required in such cases. For SEM observations we show the valuable issue of the scale in specific microstructural studies, which allows quantifying microstructural parameters using image analysis. For TEM observations, we have greatly benefited from the electron diffraction diagrams, which have allowed us to investigate the crystalline structure of irradiated second phase particles, which would remain unnoticed to both, OM or SEM observations.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit den unterschiedlichen, in Komponenten kerntechnischer Anlagen aus Zirconiumlegierungen typischerweise auftretenden Mikrostrukturen. Dabei handelt es sich um Werkstoffe mit verschiedenen, durch thermomechanische Behandlung herbeigeführten Zuständen, z.B. kaltgewalzt, spannungsarm geglüht, rekristallisiert, geschweißt, zweiphasig nebst sekundären Minoritätsphasen, die zum Originalwerkstoff gehören oder aufgrund der Betriebsbedingungen enthalten sind. Die anisotrope Kristallstruktur von Zirconium wurde in mikroskopischen Betrachtungen mittels Polarisationsfiltern ausgewertet, die den Kontrast zwischen unterschiedlichen Körnern verstärken und bei der Identifizierung der meisten Mikrostrukturen eine große Hilfe sind. Die meisten mikrostrukturellen Varianten, wie beispielsweise solche, die durch Schweiß­ vorgänge entstehen, können in einer großen Bandbreite von Längenskalen anhand der traditionellen optischen Mikroskopie (OM) effizient aufgelöst werden. Einige feinere Mikrostrukturen, wie solche, wie sie im Druckröhrenwerkstoff des CANDU-Reaktors1 (CANada Deuterium Uranium) auftreten, oder einige sekundäre Minoritätsphasenpartikel wie die Zr(Fe,Cr)2-Ausscheidungen in Zircaloy-4 können anhand dieser Technik nicht vollständig aufgelöst werden. Daher ist in solchen Fällen der Einsatz von Rasterelektronenmikroskopie (REM) und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) erforderlich. Wir beschäftigen uns auf der Basis von REM-Betrachtungen mit dem wichtigen Thema der Skalierung bei bestimmten Mikrostrukturuntersuchungen, durch die Mikrostrukturparameter mittels Bildanalyse quantitativ erfasst werden können. Bei den TEM-Betrachtungen waren uns die Elektronenbeugungsdiagramme sehr nützlich. Sie haben es uns ermöglicht, die Kristallstruktur der bestrahlten Sekundärphasenpartikel zu untersuchen, die sowohl im OM als auch bei einer Betrachtung im REM unbemerkt bleiben würden.