Zr-4合金由于具有较低的热中子吸收截面、良好的力学性能和加工性能以及在高温高压水和蒸汽中优异的耐腐蚀性能等特点,被广泛用于水冷核反应堆。目前常用的连接方法通常通过较大的热输入来实现Zr-4合金的焊接,常使得母材晶粒长大而性能下降或变形难以满足精度要求,因此实现Zr-4合金的低温连接尤为关键,低温扩散连接能在较低的连接温度下得到强度相对理想的接头。本课题首先采用电解置氢及表面机械研磨的方法制备了表面氢化层及表面纳米晶层,之后在低于常规连接温度下得到了焊缝强度与母材相当的接头,最后对表面处理的Zr-4合金的耐腐蚀性能进行了研究。首先研究了表面处理工艺参数对表面氢化层及纳米晶层的影响,探究了表面置氢及纳米化对Zr-4锆合金表面层性能的影响,确定了置氢及机械研磨（SMAT）的处理工艺参数范围。结果表明,经过置氢处理的Zr-4合金衍射峰在30°～40°的物相发生了明显的变化,氢原子含量超过其在α固溶度而析出成为ε（ZrH2）相,在透射电子衍射花样观察到ε相。经置氢处理后的试样表面粗糙度值略有升高但变化不大,变化范围在0.1～0.2μm,表面层的显微硬度几乎无发生变化。经SMAT处理后Zr-4合金衍射峰发生宽化,处理频率为50Hz,处理时间为4h时,通过谢乐公式计算表面层晶粒尺寸达到30nm以下。经SMAT处理后的试样表面粗糙度值随SMAT时间的延长呈现先增加后降低的趋势,变化范围在0.1～0.2μm,表面层的显微硬度均有所升高。对表面处理后的Zr-4合金进行了低温扩散连接实验,探究了表面置氢及纳米化参数对接头组织性能的影响,探究了扩散连接工艺参数对母材表面处理接头组织性能的影响,获得了表面处理试样最佳的低温扩散连接工艺参数。结果表明,Zr-4合金经过表面纳米化处理后提高了界面扩散效率,接头焊合率提高明显,经过表面置氢后的试样在扩散连接时由于氢原子空位的缺陷同样大大提高了界面扩散效率。为了将二者的优势相结合,采用表面复合处理,即先进行纳米化处理后再置氢处理,在连接温度770℃、保温时间1h、连接压力5MPa的条件下得到了抗剪强度456MPa的接头,约等于Zr-4合金母材的强度。对不同表面状态的Zr-4合金在400℃水蒸气下腐蚀的氧化动力学行为进行了拟合,Zr-4合金前期的氧化行为可以分为“快速氧化”和“缓慢氧化”两个阶段。发现置氢使Zr-4合金的耐腐蚀性能略有下降,而纳米化则使Zr-4合金的耐腐蚀性能得到了提高,纳米化处理后的扩散连接接头焊缝处耐腐蚀性能与母材几乎相同。