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锆合金因其优异的核性能、力学性能及耐腐蚀性能被广泛应用于核反应堆重要结构件,焊接是连接锆合金的必要工艺,但是锆合金接头显微组织和性能相对母材发生了很大改变,因此探索锆合金接头的显微组织和性能的变化规律对推进锆合金焊接结构件在核反应堆中的应用具有重要意义。首先,本文针对锆合金高温条件下化学性质活泼的特点,考虑焊接过程中形成的蒸气流对保护气流层形成冲击,而热输入量与蒸气流的强度存在线性关系,通过对比分析气体施加形式、气流量大小对焊接接头保护效果的影响,探讨采用气体保护形式能否达到锆合金焊接所需的环境控制效果。结果表明,采用轴吹、侧吹和背吹的保护形式,能保证锆合金的焊接环境控制;激光功率1400W、焊接速度60mm/s、气流20L/min时,焊接接头的保护效果较好;而在所选焊接工艺参数范围(P=1350~1500W、V=55~75mm/s)内,焊接速度过低或激光功率过高,均能导致气流保护效果降低,此时增大保护气体流量,可增加保护气流的抗干扰能力。其次,本文开展焊接工艺参数对锆合金接头力学性能和微观组织变化规律的探索。基于晶粒尺寸、晶粒取向、晶界角度差、接头相组成成分等分析,探讨焊接接头微观组织对力学性能的影响,同时,基于耐腐蚀性能与微观组织存在的关联性,找出焊接工艺条件下影响锆合金接头耐腐蚀性能的组织因素。结果表明,激光功率1350~1400W,焊接速度60~65mm/s,可得到高性能锆合金的焊接接头。进行焊后热处理来消除有害β相,是改善接头耐腐蚀性能的重要手段。最后,本文基于第一性原理计算,确定Nb在具有六方结构Zr(Nb,Fe)2第二相中的原子占位模型,通过计算Zr(Nb,Fe)2、β-Nb、β-Zr和富Nb的β-Zr的热力学性质,计算结果表明,随着温度升高,对提高腐蚀性能有利的Zr(Nb,Fe)2结构稳定性不及Nb固溶的β-Zr,这解释了锆合金接头中第二相消失以及室温下富Nb的β-Zr残留的原因;通过计算Nb对ɑ-Zr本征力学性质的影响,发现Nb过饱和固溶会导致ɑ-Zr的晶体结构失稳;通过比较Nb过饱和固溶前后体系的弹性模量,发现Nb过饱和固溶之后ɑ-Zr的G/B的值大于0.5,剪切模量G增大,说明Nb过饱和固溶能导致ɑ-Zr由韧性变为脆性,也解释了锆合金接头硬度高于母材的原因。