鋯合金第二相腐蝕氧化過程的研究及應(yīng)用.pdf

1、鋯合金中的第二相對(duì)合金抗腐蝕氧化性能有重要影響。Ti2Ni型FCC結(jié)構(gòu)的(Zr,Nb)2Fe相、C14型HCP結(jié)構(gòu)的Zr(Nb,Fe)2相分別是先進(jìn)鋯合金E635及Zirlo的主要三元金屬相。本文通過非自耗真空電弧熔煉法，創(chuàng)新的將合金中少量的第二相單獨(dú)熔煉成合金相鑄錠。并將第二相材料置入320℃/16.4MPa模擬壓水堆腐蝕環(huán)境，研究氧化膜形成過程及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。本次研究有利于更加深入的認(rèn)識(shí)合金元素在氧化過程中的重要作用，了解第二相材料的性

2、能特點(diǎn)對(duì)提高合金抗腐蝕性能有重要意義。
　　(Zr,Nb)2Fe相腐蝕氧化實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，第二相材料氧化膜結(jié)晶性較差，氧化產(chǎn)物為單斜氧化鋯及四方氧化鋯。合金相氧化膜的微觀結(jié)構(gòu)表征發(fā)現(xiàn)，氧化物/水側(cè)界面的氧化產(chǎn)物為單斜的氧化鋯以及非晶氧化鋯，并在單斜氧化鋯中發(fā)現(xiàn)了明顯的位錯(cuò)和缺陷。氧化膜內(nèi)部的能譜線掃描分析結(jié)果表明了鐵元素的擴(kuò)散和再聚集現(xiàn)象。通過透射電鏡高分辨對(duì)細(xì)致微觀結(jié)構(gòu)分析我們確定了鐵顆粒α-Fe與和四方氧化鋯之間存在半共格取向關(guān)

3、系：[010]t-ZrO2//[001]α-Fe，(200)t-ZrO2//(110)α-Fe，錯(cuò)配度為：4dt(200)=5dα(110)。這種取向生長(zhǎng)關(guān)系穩(wěn)定了四方氧化鋯，延遲了四方氧化鋯向單斜氧化鋯的轉(zhuǎn)化，使其依附于鐵顆粒形成納米晶。同時(shí)，我們對(duì)不同 Fe/Nb的三元材料進(jìn)行了相同的氧化腐蝕實(shí)驗(yàn)，并測(cè)試了表面氧化膜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，證實(shí)了該四方氧化鋯穩(wěn)定機(jī)制。
　　本次實(shí)驗(yàn)優(yōu)化了Zr(Nb,Fe)2相的熔煉成分，并分別進(jìn)行了20h

4、、40h、60h的腐蝕氧化實(shí)驗(yàn)。隨著氧化的時(shí)間推移氧化膜厚度差別不，大約為1.2μm。對(duì)不同時(shí)間的氧化膜截面樣品觀察發(fā)現(xiàn)氧化膜相結(jié)構(gòu)致密，無明顯裂紋。通過透射電鏡對(duì)氧化膜截面的觀察，發(fā)現(xiàn)氧化膜的主要結(jié)構(gòu)為內(nèi)側(cè)的非晶態(tài)氧化物和表層的晶態(tài)氧化物，并對(duì)這種典型的氧化物結(jié)構(gòu)形成機(jī)理進(jìn)行了分析討論。非晶態(tài)氧化物結(jié)構(gòu)致密，厚度大于100nm，隨腐蝕時(shí)間的增加厚度增加達(dá)到265nm。致密的非晶氧化膜對(duì)氧離子的擴(kuò)散有很好的阻礙作用，這說明Zr(Nb,F

5、e)2合金相是很好的鈍化材料是鋯合金防護(hù)涂層的優(yōu)越備選材料。
　　本文通過電化學(xué)方法評(píng)價(jià)了兩種相抗腐蝕性能，發(fā)現(xiàn)其性能均優(yōu)于商用合金材料。通過比較兩種相的高溫高壓水環(huán)境腐蝕行為，電化學(xué)腐蝕性能，發(fā)現(xiàn)Zr(Nb,Fe)2合金相電化學(xué)腐蝕性能更好，氧化膜更薄，結(jié)構(gòu)更加致密。在此基礎(chǔ)上本文運(yùn)用HiTUS磁控濺射方法，在Zr-4合金表面制備了成分與Zr(Fe,Nb)2第二相相同的Zr-Fe-Nb三元合金涂層。薄膜材料結(jié)構(gòu)致密，無明顯缺陷，