Electron microscope observations on the oxidation of zirconium

Summary

Structural observations have been carried out, mostly by transmission electron microscopy, for a study on the oxidation characteristics of zirconium. At the initial stage of the oxidation at 400 °C and for oxidations at high temperature (800 °C) there appear moiré patterns which have been referred to the oxygen-saturated layer occurring on zirconium. The presence of cubic zirconium oxide has always been ascertained in the oxide films. Up to thicknesses ≃4000 Å the oxide films show an epitaxial structure with subgrains corresponding to average distances of 550 Å; no dependence of these on the film thickness has been experienced. On the basis of the above observations an interpretation has been put forward in which the cubic oxidation law of zirconium is explained in terms of lattice defects acting as anion vacancy sinks in the oxide film. With their density, the same lattice defects can also explain the low-temperature hydrogen permeability stage through the oxide film.

Riassunto

Si sono esaminate le caratteristiche di ossidazione dello zirconio, mediante osservazioni strutturali prevalentemente di microscopia elettronica in trasmissione. Allo stadio iniziale della ossidazione a 400 °C e per ossidazioni prolungate a 800 °C compaiono immagini « moirè » le quali sono spiegate come conseguenza di strati superficiali saturi in ossigeno. Le pellicole di ossido mostrano struttura epitassica con subgrani di dimensioni medie=550 Å; tali dimensioni sono risultate indipendenti dallo spessore di ossido, per pellicola fino a circa 4000 Å. Sulla base delleosservazioni compiute si è a vanzata una interpretazione secondo la quale la legge di ossidazione cubica dello zirconio viene riferita alla rottura delle vacanze anioniche da parte di difetti reticolari presenti nell’ossido. Gli stessi difetti possono spiegare, con le elevate densità che si sono riscontrate, taluni fenomeni di permeabilità all’idrogeno nel campo di temperatura attorno a 550 °C.

Реэюме

Проведены структурные наблюдения, в основном, на злектронном микроскопе, для иэучения характеристик окисления циркония. В начальной стадии окисления при 400 °С и при окислении при высокой температуре (800 °С) появляются муаровые обраэцы, которые обоэначают кислородное насыщение слоя, обраэуюшегося на цирконии. Присутствие кубической окиси циркония всегда устанавливается в оксидных пленках. Вплоть до толшины 4000 А оксидные пленки покаэывают зпитаксиальную структуру с субэернами, соответствуюшими средним расстояниям 550 А; причем не обнаружено эависимости расстояний от толшины пленки. На основе проведенных наблюдений была предложена интерпретация, которая общясняет эакон кубического окисления циркония в терминах дефектов рещетки, которые выступают как поглотители анионных вакансий в оксидной пленке. Прп рассматриваемой плотности, те же дефекты рещетки могут также общяснить фаэу проницаемости водорода при ниэкой температуре череэ оксидную пленку.