Ge含量对Zr-4合金在LiOH水溶液中耐腐蚀性能的影响

采用堆外高压釜腐蚀试验研究添加0.1%Ge和0.5%Ge(质量分数)对Zr-4合金在360℃、0.01 mol/L LiOH水溶液中耐腐蚀性能的影响,用TEM和EDS研究合金的显微组织和第二相成分。结果表明:与Zr-4合金相比,添加Ge后合金的耐腐蚀性能显著提高,但随着Ge添加量的增加,对耐腐蚀性能的提高作用减弱。当Ge含量为0.1%时,析出密排六方结构的Zr(Fe,Cr)2和Zr(Fe,Cr,Ge)2型第二相;当Ge含量达到0.5%时,还会析出Zr-Sn-Fe-Cr-Ge和尺寸较大的四方结构Zr3Ge型第二相,添加Ge会使α-Zr基体中固溶的Sn含量降低。固溶在α-Zr中的Ge和尺寸较小的Zr(Fe,Cr)2、Zr(Fe,Cr,Ge)2型第二相可以提高Zr-4+xGe合金的耐腐蚀性能;析出Zr-Sn-Fe-Cr-Ge和尺寸较大的Zr3Ge第二相后会对耐腐蚀性能产生不利的影响。     

添加Bi对Zr-4合金在400℃/10.3 MPa过热蒸汽中耐腐蚀性能的影响

在Zr-4合金基础上添加0.1%—0.5%Bi（质量分数）制备成Zr-4+xBi合金,用高压釜腐蚀实验研究了Bi含量对Zr-4+xBi合金在400℃/10.3 MPa过热蒸汽中耐腐蚀性能的影响;用TEM,EDS和SEM观察了合金和合金腐蚀后氧化膜的显微组织.结果表明:随着Bi含量的增加,Zr- 4+xBi合金中第二相的尺寸和形状变化不大,但数量增多,并出现了不同成分的第二相,包括Zr（Fe,Cr）₂,Zr-Fe- Cr-Bi.Zr-Fe- Sn -Bi和Zr-Fe- Cr-Sn-Bi.在Zr -4+0.1Bi合金中检测到了含Bi的第二相,这说明580℃时Bi在Zr- 4+xBi合金α- Zr基体中的固溶度小于0.1%.另外,适量Bi的添加促进了原先固溶在α-Zr基体中Sn的析出.与Zr-4合金相比,在Zr-4中添加0.1%—0.5%Bi后合金的耐腐蚀性能反而下降,并随着Bi含量的增加耐腐蚀性能恶化趋势越显著,这说明Zr-4合金中添加Bi并不能改善合金的耐腐蚀性能,反而产生有害的影响.这应该与含Bi第二相和同时含有Bi,Sn第二相的析出有关.     

Cu含量对Zr-0.80Sn-0.34Nb-0.39Fe-0.10Cr-xCu合金在500℃过热蒸汽中耐腐蚀性能的影响

采用静态高压釜腐蚀实验研究了Zr-0.80Sn-0.34Nb-0.39Fe-0.1Cr-xCu(x=0.05-0.5,质量分数,%)合金在500℃,10.3 MPa过热蒸汽中的耐腐蚀性能,利用TEM观察了合金的显微组织.结果表明:添加(0.05-0.5)Cu对合金在500℃过热蒸汽中的耐腐蚀性能影响不大.当x≤0.2时,合金中的第二相主要为hcp结构的Zr(Fe,Cr,Nb)_2和含Cu的正交结构的Zr_3Fe;当x>0.2时,除了Zr(Fe,Cr,Nb)_2和含Cu的Zr_3Fe外,还有四方结构的Zr_2Cu析出.Zr(Fe.Cr.Nb)_2比较细小.而含Cu第二相的尺寸较大.即使在添加0.05Cu的合金中也有含Cu第二相析出,说明Cu在该合金α-Zr基体中的固溶量很低.因此,添加(0.05-0.5)Cu对该合金在500℃过热蒸汽中的耐腐蚀性能影响不大的原因可能与固溶在α-Zr基体中的Cu含量低有关.     

Zr-0.8Sn-0.35Nb-0.4Fe-0.1Cr-xBi合金在400℃过热蒸汽中的腐蚀行为

采用静态高压釜腐蚀试验研究了Zr-0.8Sn-0.35Nb-0.4Fe-0.1Cr-xBi（x=0.1,0.3和0.5,质量分数,%）合金在400℃/10.3 MPa过热蒸汽中的腐蚀行为;并用TEM、EDS和SEM观察分析了合金和腐蚀后氧化膜的显微组织。结果表明,在Zr-0.8Sin0.35Nb-0.4Fe0.1Cr合金中添加0.1%,0.3%和0.5%的铋对其在400℃过热蒸汽中的耐腐蚀性能都有较大改善作用,但随着铋含量的增加,其改善作用减弱;在Zr-0.8Sn-0.35Nb-0.4Fe-0.1Cr合金中添加0.1%铋后,合金中只有Zr（Fe,Cr,Nb）₂一种第二相;添加0.3%铋后,有Zr（Fe,Cr,Nb）₂和Zr-Fe-Sn-Bi两种第二相析出;添加0.5%铋后,有Zr（Fe,Cr,Nb）₂,Zr-Fe-Sn-Bi和Zr-Fe-Cr-Nb-Sn-Bi三种第二相析出;Zr-0.8Sn-0.35Nb-0.4Fe-0.1Cr合金中添加适量铋会促进原来固溶的锡以第二相析出。以上结果说明Zr-0.8Sn-0.35Nb-0.4Fe-0.1Cr-xBi合金在580℃时α-Zr基体中可固溶不少于0.1%的铋,这对改善合金的耐腐蚀性能是有利的,但含铋和锡第二相的析出则使合金的耐腐蚀性能下降。     

Zr-0.80Sn-0.4Nb-0.4Fe-0.10Cr-xCu合金在400 ℃过热蒸气中的耐腐蚀性能

采用静态高压釜腐蚀试验研究了Zr-0.80Sn-0.4Nb-0.4Fe-0.10Cr-xCu(x=0.05~0.5,质量分数,%)合金在400℃,10.3MPa过热蒸气中的耐腐蚀性能,用TEM和SEM分别观察了合金的显微组织和氧化膜的断口形貌。结果表明:当Cu含量不超过0.2%时,合金中析出的第二相主要是尺寸较小的Zr(Fe,Cr,Nb)2型和少量尺寸相对较大的含Cu的Zr3Fe型;当Cu含量超过0.2%时,合金中析出了Zr2Cu型第二相,随着Cu含量的增加,Zr2Cu型第二相尺寸增大,数量增多;在添加0.05%Cu的合金中就有含Cu第二相的析出,说明Zr-0.80Sn-0.4Nb-0.4Fe-0.10Cr-xCu合金-Zr基体中固溶的Cu含量很低。当Cu含量不超过0.35%时,合金的的耐腐蚀性能基本没有差别;但是当Cu含量达到0.5%时,由于合金中析出了尺寸较大、数量较多的Zr2Cu型第二相,致使合金的耐腐蚀性能变差。     

添加Bi对Zr-1Nb合金在360℃和18.6 MPa去离子水中耐腐蚀性能的影响

利用高压釜腐蚀实验研究了Zr-1Nb-xBi(x=0.05-0.3,质量分数,%)合金在360℃和18.6 MPa去离子水中的耐腐蚀性能.结果表明,在Zr-1Nb合金的基础上添加Bi能明显改善其耐腐蚀性能,且随着Bi含量的增加,合金的耐腐蚀性能进一步提高.合金显微组织的TEM观察和EDS分析表明,合金中存在ZrNbFe型和β-Nb第二相,Bi含量对第二相的种类、尺寸和数量没有明显的影响;0.3%的Bi可全部固溶在α-Zr基体中,且不影响Nb的固溶含量.氧化膜断口和内表面形貌的SEM观察表明,固溶在α-Zr基体中的Bi能够明显延缓氧化膜显微组织的演化,包括孔隙发展成为微裂纹的过程和柱状晶向等轴晶的转变.     

Zr-0.7Sn-1Nb-0.03Fe-xCu-xGe(x=0,0.05,0.2)合金在400℃/10.3MPa过热蒸汽中耐腐蚀性能的研究

利用静态高压釜腐蚀实验研究了Zr-0.7Sn-1Nb-0.03Fe-x Cu-x Ge(x=0,0.05,0.2,%,质量分数)系列合金在400℃/10.3 MPa过热蒸汽中的耐腐蚀性能;利用TEM和SEM分别观察了合金基体和氧化膜的显微组织。结果表明:同时添加0.05%Cu和0.05%Ge时,可以改善Zr-0.7Sn-1Nb-0.03Fe合金在400℃/10.3 MPa过热蒸汽中的耐腐蚀性能。合金显微组织的TEM观察和EDS分析表明:合金中存在4种第二相,分别是bcc结构的β-Nb,hcp结构的Zr(Nb,Fe)2,四方结构的Zr2Cu和Zr3Ge。本研究制备的Zr-0.7Sn-1Nb-0.03Fe-x Cu-x Ge合金中,Cu和Ge在α-Zr基体的最大固溶含量均小于0.05%,两种元素同时添加改变了单一元素添加时元素在α-Zr基体中的固溶度和第二相的析出。腐蚀220 d时氧化膜的形貌表明:固溶在α-Zr基体中的Cu和Ge可以延缓氧化膜中显微组织的演化,从而改善了合金的耐腐蚀性能。     

添加Cu对M5合金在500℃过热蒸汽中耐腐蚀性能的影响

用高压釜腐蚀实验研究了添加0.05%—0.5%Cu(质量分数)对M5(Zr-1%Nb)合金在500℃/10.3 MPa过热蒸汽中耐腐蚀性能的影响;用TEM和SEM分别观察了合金基体和腐蚀后氧化膜的显微组织.结果表明:Cu含量低于0.2%时,随着Cu含量的增加,合金的耐腐蚀性能得到明显改善;继续提高Cu含量则对进一步改善合金耐腐蚀性能的作用不明显.Cu含量不超过0.2%时,Cu主要圈溶在α-Zr基体中;当Cu含量高于0.2%时,Cu除了圈溶在α-Zr基体中之外,其余的Cu主要以Zr_2Cu型第二相析出.固溶在α-Zr基体中的Cu,在α-Zr被氧化后可以延缓氧化膜中空位扩散凝聚形成孔隙和孔隙发展成为微裂纹的过程,增加氧化膜的致密度,从而提高合金的耐腐蚀性能.可见,对M5合金耐腐蚀性能影响起主要作用的是固溶在α-Zr中的Cu,而不是含Cu第二相.     

含Fe或Sn的锆合金显微组织研究

研究了含少量Fe或Sn的锆合金显微组织,结果表明Zr-Fe二元合金中的Fe元素(≤1.0%,质量分数),除极少量固溶外,基本上是以Zr_3Fe第二相的形式析出,而且随着Fe含量的增加,第二相种类不变,尺寸变大。Zr-Sn二元合金中添加的Sn(≤5.0%)是以完全固溶的状态存在于锆基体中,不会参与形成第二相粒子;添加Sn元素会阻碍Zr合金回复及再结晶进程。在Zr-Sn-Fe合金中,Sn元素的添加可以提高Fe在α-Zr中的固溶含量,并且通过阻碍Zr合金β相快冷时板条晶晶粒长大及Fe元素的迁移,影响Zr_3Fe第二相的尺度及分布,可以使其细化并分布更均匀。     

添加Nb对Zr-4合金在500℃过热蒸汽中耐腐蚀性能的影响

用高压釜腐蚀实验研究了在Zr-4合金成分基础上添加0.1%-0.3%(质量分数)Nb的合金在500℃/10.3MPa过热蒸汽中的耐腐蚀性能,用TEM和SEM分别观察了合金的显微组织和氧化膜断口形貌,结果表明.合金在500℃/10.3 MPa过热蒸汽中腐蚀500 h均未出现疖状腐蚀.完全抑制了疖状腐蚀的产生,这与Nb在αZr中的固溶量较大有关.固溶在αZr中的Nb能抑制疖状腐蚀斑的形核,提高耐疖状腐蚀性能;合金耐均匀腐蚀性能随着Nb含量的增加而降低,这与Nb的添加降低了固溶在α-Zr中的(Fe+Cr)含量有关,也与Zr(Fe,Cr.Nb)_2第二相的析出有关.这2种因素都会加快氧化膜显微组织在腐蚀过程中的演化,促进孔隙和微裂纹的形成.     

Zr-1Nb-xGe-yBi合金的耐腐蚀性能

利用堆外静态高压釜实验研究了Zr-1Nb-x Ge-yBi(x=0.05-0.1,y=0.2-0.4,质量分数,%)合金在400℃/10.3 MPa过热蒸汽和360℃/18.6 MPa去离子水中的耐腐蚀性能,利用高分辨透射电镜(HRTEM)和高分辨扫描电镜(HRSEM)研究了合金和合金腐蚀后氧化膜的显微组织。结果表明,合金中只存在β-Nb、Zr Nb Fe型和Zr3Ge 3种第二相;在Zr-1Nb合金中复合添加Ge和Bi可明显提高合金的耐腐蚀性能,其中Zr-1Nb-0.05Ge-0.3Bi合金的耐腐蚀性能相对较好,优于单独添加Ge的Zr-1Nb-0.05Ge合金和单独添加Bi的Zr-1Nb-0.3Bi合金。这进一步说明固溶在α-Zr中的Ge和Bi确实是改善Zr-1Nb-x Ge-yBi合金耐腐蚀性能的主要原因。     

Pd添加对Zr-4合金在LiOH水溶液中耐腐蚀性能的影响

采用静态高压釜腐蚀实验研究添加微量Pd元素的Zr-4合金在(360℃,18.6 MPa)条件下0.01 mol/L Li OH水溶液中的耐腐蚀性能,采用TEM和SEM研究合金和氧化膜的显微组织。结果表明:添加0.05%~0.2%Pd(质量分数)均可明显改善Zr-4合金在Li OH水溶液中的耐腐蚀性能,其中添加0.1%Pd时改善作用最显著,随着添加Pd含量的进一步增加,对Zr-4合金耐腐蚀性能的改善作用减弱。在Zr-4合金中Pd元素以Zr2(Fe,Cr,Pd)、Zr2(Pd,Fe)形式的第二相析出,其中Zr2(Pd,Fe)第二相尺寸较大。固溶在α-Zr中的Pd和尺寸较小的Zr2(Fe,Cr,Pd)型第二相可以提高Zr-4合金的耐腐蚀性能;析出尺寸较大的Zr2(Pd,Fe)第二相后会对Zr-4合金的耐腐蚀性能产生不利的影响。     

Zr-1Nb-xCu合金在400℃过热蒸汽中的耐腐蚀性能

采用静态高压釜腐蚀试验研究了在Zr-1Nb锆合金基础上添加Cu的Zr-1Nb-xCu(x=0~0.5,质量分数,%)合金在400℃/10.3 MPa过热蒸汽中的耐腐蚀性能,用TEM和SEM分别观察了合金的显微组织和氧化膜的断口形貌。结果表明,当Zr-1Nb合金中添加的Cu含量不超过0.2%时,大部分Cu都固溶在α-Zr中,合金中析出的第二相主要为尺寸细小的β-Nb,这时合金在400℃/10.3 MPa过热蒸汽中的耐腐蚀性能会随着合金中Cu含量的增加而得到明显的提高;当Zr-1Nb合金中添加的Cu含量超过0.2%时,合金中析出了Zr2Cu型第二相,且析出的Zr2Cu型第二相会随着Cu含量的增加而数量增多,尺寸增大。在Zr-1Nb-0.35Cu合金中,析出了适量的Zr2Cu型第二相,这对改善合金在400℃/10.3MPa过热蒸汽中的耐腐蚀性是有利的;但是在Zr-1Nb-0.5Cu合金中,由于析出了数量较多且尺寸较大的Zr2Cu型第二相,在400℃过热蒸汽中腐蚀时将诱发疖状腐蚀,对合金的耐腐蚀性能是有害的。     

Zr-1Nb-xGe 合金在 400 ℃过热蒸汽中耐腐蚀性能的研究

利用高压釜腐蚀实验研究了Zr-1Nb-xGe (x=0,0.05,0.1,0.2,质量分数,%) 合金在400 ℃,10.3 MPa过热蒸汽中的耐腐蚀性能;利用SEM和TEM分别观察了合金和氧化膜的显微组织。结果表明：添加Ge可以改善Zr-1Nb合金的耐腐蚀性能,当Ge含量为0.05%时效果最佳。在Zr-1Nb-xGe合金中存在4种第二相,分别是β-Nb,Zr(Nb,Fe,Cr)₂,Zr(Nb,Fe,Cr,Ge)₂和尺寸较大的Zr₃Ge。Ge在Zr-1Nb合金α-Zr基体中的最大固溶含量在0.05%~0.1%之间,固溶的Ge可以有效延缓氧化膜中显微组织的演化,从而改善合金的耐腐蚀性能;当Ge含量超过合金的固溶含量时,会形成Zr(Nb,Fe,Cr,Ge)₂以及尺寸较大的Zr₃Ge第二相,Zr₃Ge会使耐腐蚀性能降低。     

Fe对Zr-xFe合金显微结构及在400 ℃/10.3 MPa过热蒸汽中腐蚀行为的影响

通过在纯锆中添加不同含量的Fe,制备出系列Zr-xFe(x=0.05,0.2,1.0,wt.%)合金,并在400 ℃/10.3 MPa过热蒸汽条件下开展了不同时间的高压釜腐蚀实验,利用扫描电子显微镜和透射电子显微镜观察分析了合金基体和氧化膜的显微结构,研究了Fe元素对Zr-xFe合金显微结构及腐蚀行为的影响。结果表明,纯锆中添加0.05 wt.%的Fe即可细化α-Zr晶粒,但随Fe含量增加,α-Zr晶粒尺寸变化不明显。Zr-xFe合金中大部分Fe以Zr₃Fe第二相的形式析出,随Fe含量增加,第二相结构保持不变,但第二相尺寸增加。Fe能有效促进Zr-xFe合金氧化膜中柱状晶的生长并延缓柱状晶向等轴晶的演化,进而改善Zr-xFe合金的耐腐蚀性能。随Fe含量增加,Zr-xFe合金的耐腐蚀性能提高。应力是Zr-1.0Fe合金氧化膜/基体(O/M)界面形成亚氧化物过渡带的主要原因,亚氧化物过渡带的形成一定程度上缓解了O/M界面附近金属基体和氧化膜中的应力,阻碍了氧化膜柱状晶向等轴晶的演变,从而减弱了锆合金的腐蚀。     

变形及热处理影响Zr-4合金显微组织的研究

Zr- 4 合金样品经1 020 ℃保温20 min后水淬处理,形成了一些富集Fe和Cr的片层状β-Zr相(bcc结构),a=0.362 nm.其中Fe含量约为3.65 wt%,Cr含量约为0.61 wt%,Sn含量约为1.57 wt%.该β-Zr相经变形及580 ℃热处理后分解,形成α-Zr和细小的、带状分布的Zr(Cr,Fe)2第二相,所以Zr- 4合金经β相水淬、变形及热处理后也可得到细小且分布较均匀的第二相.     

添加S对Zr-Sn-Nb-Fe锆合金中第二相的影响

在Zr-0.70Sn-0.35Nb-0.30Fe(质量分数,%)合金成分基础上添加26~570μg/g的S制备成实验合金,用SEM、TEM及其配置的EDS研究了S含量对合金中第二相成分及晶体结构的影响。结果表明:不加S的重熔合金中的第二相均为密排六方结构的Zr(Nb,Fe)2,添加S以后合金中出现了正交结构的Zr3Fe第二相,并随着S含量的增加,Zr3Fe的数量也相应增多;添加的S含量为190μg/g时,合金中还出现了四方结构的Zr9S2第二相,并随着S含量的进一步增加,Zr9S2第二相的数量增多;同一成分合金中随第二相粒子尺寸的增大,第二相中的Nb/Fe比值逐渐降低。本研究制备的含S锆合金中,固溶在ɑ-Zr基体中的最大S含量在26~190μg/g之间,超过固溶含量的S以Zr9S2第二相析出,并没有进入其它第二相中。     

Cr对Zr-0.3Nb合金显微组织及在400 ℃/10.3 MPa过热蒸汽中腐蚀行为的影响

通过制备Zr-0.3Nb-xCr(x=0.2, 0.5, 1.0,%,质量分数)合金,并在高压釜中进行400℃/10.3 MPa过热蒸汽腐蚀实验,利用SEM和TEM表征和分析合金基体及氧化膜截面显微组织,研究了Cr对Zr-0.3Nb合金显微组织及在400℃/10.3MPa过热蒸汽中腐蚀行为的影响。结果表明,Zr-0.3Nb-xCr合金中的第二相主要为面心立方和密排六方的ZrCr₂相,尺寸在10～100 nm范围内,随Cr含量增加,第二相的数量增加,但尺寸无明显变化。添加适量的Cr能促进氧化膜中柱状晶的生长并延缓柱状晶向等轴晶的转变,从而改善Zr-0.3Nb合金的耐腐蚀性能。当Zr-0.3Nb合金中添加0.5%的Cr时,耐腐蚀性能较好,这可能是因为Zr-0.3Nb-0.5Cr合金的氧化膜较为致密,且在氧化膜/基体界面处存在亚氧化层,可以延缓氧化膜的显微组织演化,提高合金的耐腐蚀性能。     

Zr-0.7Sn-0.35Nb-0.3Fe-xGe合金在高温高压LiOH水溶液中耐腐蚀性能的研究

利用静态高压釜腐蚀实验研究了Zr-0.7Sn-0.35Nb-0.3Fe-xGe（x=0.05,0.1,0.2,质量分数,%）系列合金在360℃/18.6 MPa/0.01 mol/L LiOH水溶液中的耐腐蚀性能;利用TEM和SEM分别观察了合金基体的显微组织和氧化膜的显微组织.结果表明:Ge可以显著改善Zr-0.7Sn-0.35Nb-0.3Fe合金在高温高压LiOH水溶液中的耐腐蚀性能,当Ge含量为0.1%时,合金的耐腐蚀性能最佳.在Zr-0.7Sn-0.35Nb-0.3Fe-xGe系列合金中发现尺寸较小的hcp结构的Zr（Fe,Cr,Nb）₂型、Zr（Fe,Cr,Nb,Ge）₂型第二相和尺寸较大的四方结构的Zr₃Ge型第二相.腐蚀220 d的Zr-0.7Sn-0.35Nb-0.3Fe-0.1Ge合金氧化膜致密,厚度较薄,几乎没有微孔隙和微裂纹,ZrO₂柱状晶较多.这说明添加适量的Ge不仅可以有效延缓氧化膜中空位扩散凝聚形成微孔隙和微孔隙发展形成微裂纹的过程,还可以延迟ZrO₂由柱状晶向等轴晶的演化,从而改善合金的耐腐蚀性能.     

锆合金第二相研究述评(Ⅰ):Zircaloys合金

回顾了国内外近几十年来关于Zircaloys合金中第二相粒子本征特征(晶体结构、成分、形状、亚结构等)的相关研究工作。Zircaloys合金中的Zr-Fe-Ni粒子只有一种,即C16(BCT,Al2Cu)型Zr2(Fe,Ni)Zintl相。而Zr-Fe-Cr粒子主要有两种:一种是C14(HCP,MgZn2)型Zr(Fe,Cr)2Laves相,另一种是C15(FCC,MgCu2)型Zr(Fe,Cr)2Laves相,这些Laves相内部均可见层错结构。归纳总结出形成温度决定论、n(Fe)/n(Cr)决定论、价电子/原子比决定论3种理论,用于解释Zr(Fe,Cr)2粒子形成稳定结构的原因。常规加工工艺下,在Zircaloys合金成分范围内,Sn完全固溶于α-Zr基体,不会参与形成析出相,Fe、Cr、Ni一般也不会单独与Zr形成Zr-Fe、Zr-Cr、Zr-Ni粒子。