锆合金具有优异的核性能，它的热中子吸收截面小，比许多金属结构材料低，堆内辐照后，传热性能和抗腐蚀性能好，故锆合金常用于核动力反应堆包覆材料和其他结构材料[1]。由于锆合金大量应用于水冷反应堆，其在高温条件下与水蒸汽反应（Zr+2H2O→ZrO2+2H2）析出的氢一部分留于水中，一部分被锆吸收，这就是“吸氢”现象。由于氢在锆中的固溶度有限，一旦超出固溶度就会析出氢化锆相，该相是脆性相，容易产生微裂纹，使材料韧性和强度降低，从而使材料变脆[2]。因此研究锆合金在含有氢或水蒸汽的气氛的性能具有重要的工程意义。
以检测氢化物取向因子（Fn）评价锆合金“吸氢”性能。国内锆合金Fn检测中的渗氢基本采用高压釜渗氢，操作复杂、时间长、安全系数较低，而国外多采用气体渗氢，具有操作简单、时间短、安全系数较高等优点，便于推广。渗氢是后续检测的基础，只有达到标准要求的渗氢含量和状态才可以正确检测，所以只有稳定控制渗氢工艺，才能将影响氢化物结果的实验过程因素降到最低。本文系统地探讨了渗氢时间、渗透扩散机理以及干法渗氢效果等因素对锆合金管材气体渗氢过程的影响。
1. 实验设备与过程
1.1 气体渗氢设备
气体渗氢实验采用的是气体渗氢系统。按照GB/T 38913—2020标准中规定的设备和方法开展实验。气体渗氢过程是将试样放在石英管中，通入1.5%（体积分数）氢气和其余为氩气的混合气，在加热炉内加热到400 ℃保温数3~6 h后冷却，使锆合金管材中氢化物析出。
1.2 氢渗透过程计算模型
渗氢过程实际上是非稳态扩散，符合菲克第二定律，示意图如图1所示。
图1表示两个垂直于x轴的单位平面，而间距为dx，若J1和J2表示扩散时流入两平面的扩散通量，两面之间的溶质浓度随时间的变化率为∂C/∂t，在dx范围的微体积中溶质的积累速率为
式中，D为扩散系数，C为扩散物质的体积浓度。如若将扩散系数看作常数，气体渗氢在富含一定浓度的氢气、氩气混合气体中进行，假设氢在α-Zr中的扩散系数是常数D，计算公式为D=4.74×10−4e−5940/RT�=4.74×10−4e−5940/��（400 ℃下，氢在α-Zr内的扩散系数为6×10−6 cm2/s）。
初始条件t=0，C=C0, C0为α-Zr的原始含氢量，边界条件t>0，x=0，C=Cs；x=∞，C=C0，即假定渗氢一开始，表面氢气浓度Cs，并能一直保持这个浓度。
对于上述条件，气体渗氢常用误差函数分布作为解，即
式中，erf为误差函数，其中Zr在400 ℃为（hcp）结构，假设混合气体中1.5%的氢完全占据了Zr管材表面一层单晶胞（hcp）的12个四面体间隙，此时表面得到的氢浓度就是渗氢初始时表面的浓度Cs。
即：Cs≈164×10−6 代入式（2）中得
依据该模型，查误差函数表可得：t≈4 h。
1.3 实验过程
本实验采用同一批次的ϕ9.5 mm锆合金管材，状态为消应力退火，在1.5%（体积分数）氢气和其余为氩气的混合气气氛条件下，加热到400 ℃后，根据计算模型，分别选取保温时间3.5、3.75、4、4.25、4.5、4.75、5和5.25 h，实验结束后分别对不同保温时间的试样进行显微组织观察和氢含量测试。
2. 实验结果
图2为不同保温时间锆合金管材显微组织照片，对应的氢含量结果如表1。图2（a）中氢化物析出较少（小于100×10−6），氢化物多短小（标准要求长度大于15 mm），不能准确有效检测Fn；图2（b）显示氢化物析出合适（150×10−6左右），该氢化物较均匀、长短适宜，未缠绕[3]，能够清晰反映出该管材整体氢化物取向的特征，达到评判的标准对氢含量的要求，便于Fn检测；图2（c）显示氢化物析出较多（大于170×10−6），该氢化物片层多缠绕在一起，不能准确计算径向和周向的数量，不能够有效检测Fn。
