U-10Zr/Zr-4合金界面的微观结构及生长动力学研究

Zr-4合金包壳包覆的U-Zr合金有望发展成为水冷反应堆的金属型核燃料。而燃料与包壳材料之间的相容性是反应堆安全运行的关键,但是,关于U-Zr合金燃料与Zr-4合金包壳材料界面元素扩散和反应的研究很少。为研究U-Zr合金与Zr-4合金之间的相容性和扩散行为,采用真空热压扩散法制备U-10wt.%Zr/Zr-4扩散偶,随后在高真空中580-1100℃高温热处理样品。采用扫描电镜和透射电镜分析检测扩散偶的界面微观结构和元素分布。系统研究了两种合金之间的相容性。δ-UZr₂层和厚约20nm的富铀层形成于热压扩散法制备的样品界面。测量了合金界面扩散系数常数和扩散激活能,分别为4.23(±0.63)×10^-6 m²/s和160.73(±1.67) kJ/mol。结果表明U-10wt.%Zr/Zr-4扩散偶的扩散系数大于U-Zr合金的,特别是在低温段。     

Zr-4合金与316-SS不锈钢真空扩散焊工艺研究

对Zr-4合金与316-SS型不锈钢进行了直接真空扩散焊和以Ni为中间层的间接真空扩散焊对比试验,使用扫描电镜及能谱分析,研究了接头的显微组织、元素分布及力学性能。结果显示,直接真空扩散焊的接头界面处形成了一定厚度的反应层,在反应层中存在许多微裂纹。间接真空扩散焊的接头界面整体形貌较好,两侧元素均发生了充分扩散。Ni/316-SS扩散层形成了Fe-Ni固溶体,Ni/Zr-4反应层形成Ni5Zr、Ni Zr及Ni Zr2金属间化合物。随着加热温度、保温时间及压力的增大,接头的抗剪强度先增加,达到最大值后开始下降。     

磁控溅射和多弧离子镀制备Cr涂层Zr-4合金的微观结构和抗高温氧化性能

为了对比研究磁控溅射和多弧离子镀两种工艺制备的Cr涂层Zr-4合金微观结构和抗高温氧化性能,分别采用直流磁控溅射和多弧离子镀制备了Cr涂层Zr-4合金样品,在空气气氛中开展高温氧化试验研究。结果表明,磁控溅射制备的Cr涂层Zr-4合金样品表面光滑,Cr涂层沿着(211)晶面择优生长,而多弧离子镀制备的Cr涂层Zr-4合金样品表面存在大量的滴液,Cr涂层沿着(110)晶面择优生长。高温氧化试验结果显示,磁控溅射制备的Cr涂层Zr-4合金样品的氧化质量增加约为多弧离子镀的一半,氧化后的微观结构显示磁控溅射制备的样品还有约4 μm厚的残留Cr涂层,且O原子仅仅大量扩散到距表面约8 μm处,而多弧离子镀制备的样品表面Cr涂层全部被氧化,且O原子大量扩散到距样品表面约1 mm深处的Zr-4合金基体中。因此,磁控溅射制备的Cr涂层Zr-4合金具有更好的抗高温氧化性能。     

Al/Sn二元扩散偶相界面扩散溶解层的形成机理

采用层片式扩散偶制备技术制备Al/Sn扩散偶,在不同热压温度条件下进行热处理,利用金相显微镜、扫描电镜、能谱仪、XRD衍射仪等研究Al/Sn扩散偶扩散溶解层的形貌特征与形成机理。结果表明:在0.5 MPa和230℃烧结条件下,Sn元素优先沿Al晶界扩散,然后沿其表面扩散;随着扩散时间的延长,Al与Sn元素间扩散和溶解程度增大,界面区无新物相生成,最终形成由Al和Sn的离异合金组织组成的界面过渡层且呈锯齿状形态分布;Al/Sn界面冶金结合是Al和Sn固相扩散、溶解与结晶共同作用的结果。     

Cr涂层Zr-4合金包壳的高温空气氧化/扩散行为

目的 在Zr合金包壳表面制备Cr涂层,以提高Zr合金包壳在事故环境下的抗高温氧化性能。方法 采用多弧离子镀技术在Zr-4合金包壳上制备约17 μm的Cr涂层,通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能量色散光谱(EDS)和电子探针(EPMA)等方法,分析试样氧化前后的相组成、微观形貌和扩散行为,并评估试样在1 100、1 200、1 300 ℃空气环境中氧化后的高温氧化性能。结果 沉积态Cr涂层显微结构致密均匀,(110)面有很强的织构。Cr涂层在高温空气中氧化60 min后,保持了涂层结构完整性。氧化后的Cr涂层Zr合金系统均为多层结构,包括外部Cr2O3层、中间Cr涂层、内部Cr-Zr扩散层和Zr合金基体。在涂层/基体界面上形成了具有Laves相的金属间ZrCr2扩散层,ZrCr2层下方的区域出现了大量分散的沉淀相。在Cr-Zr中间层和Zr合金界面处的不对称原子扩散导致Kirkendall空位生成,空位的聚集和合并导致空穴的形核和生长。结论 Cr涂层表面形成了致密的Cr2O3层,提高了Zr-4合金的抗高温氧化性能。通过研究高温空气中Cr涂层Zr-4合金包壳材料的高温空气氧化/扩散行为,可为耐事故涂层的开发、制备和应用提供一定的理论指导和技术支持。     

真空热压铝和铜的固态连接(英文)

在温度623~923K下采用真空热压扩散连接铝和铜,具体工艺为在预置温度下,变形率为0.2mm/min时热压缩10min,再在炉冷过程中,以0.2mm/min成型10min。通过界面分析可以看出,合适的扩散连接温度为823K,在扩散过程中产生了3种主要的金属间化合物层,分别为Al2Cu、AlCu+Al3Cu4和Al4Cu9。3种化合物层的局部硬度分别为(4.97±0.05)、(6.33±0.00)、(6.06±0.18)GPa。     

304钢/QAl9-4铝青铜复合界面的显微组织及性能

采用真空扩散焊接技术制备304不锈钢与QAl9-4铝青铜双金属复合材料,通过金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)分析了钢/铜复合界面的显微组织、相结构及化学成分,利用硬度测定仪及拉伸试验测试了界面处的力学性能。结果表明:在(1150±50)℃、4.0×10~(-2)Pa真空条件下,界面结合紧密,基体两侧的Fe、Al、Cu等合金原子发生互扩散,形成宽约140μm的过渡层,主要物相为Al Cr Fe_2、Al_4Cu_9、Al Ni3等,显微硬度最大值为420 HV0.02。复合材料的抗拉强度是278 MPa,拉伸断口在复合界面处,呈脆性断裂特征。钢/铜扩散焊接的机理是基体钢中Fe、Cr等元素优先在铜表面铺展润湿,在界面处与其他合金原子(Al、Cu等)发生相互扩散形成过渡层,最终形成良好的冶金结合。     

Cu/Ni固相扩散界面的研究

采用彩色金相技术对“嵌入式”Cu/Ni扩散偶真空扩散处理时的界面迁移现象进行了观测,并研究了Cu/Ni界面间的扩散行为。结果表明,扩散偶在退火温度1123~1223K、保温时间25~150h(0·9×105~5·4×105s)的工艺条件下反应,Cu/Ni界面间结构由α/β转变为α/α′/β,其中α′为扩散层,实质是成分不均匀的固溶体,Cu/Ni界面间扩散行为是Kirkendall效应的一种显现,即界面上Cu和Ni元素均发生了扩散,但主要是Cu原子向Ni层的扩散。最后在试验数据基础上发现,扩散层厚度L与退火时间t之间满足抛物线L=K(t/t)n关系。     

退火条件对AgCuNi/TU1复合界面的影响

采用轧制复合法制备AgCuNi/TU1复合带材,使用EDS能谱仪分析不同退火条件下复合界面元素的扩散情况,利用两端不受扩散影响的扩散偶模型和Arrenius关系计算退火温度在550~750℃下Ag在TU1中的扩散系数、扩散常数与扩散激活能。结果显示:退火温度在550~750℃之间,分钟级退火时间下(退火时间5 min),AgCuNi/TU1复合界面主要发生表面原子扩散,且扩散系数和扩散常数在同一数量级,而扩散激活能有明显差别。     

Ti-Ni固相相界面的扩散研究

采用"铆钉法"制备了界面为曲面的Ti-Ni二元扩散偶,并将扩散偶置于真空退火炉中进行热处理。利用彩色金相技术观察在500~700℃范围内真空烧结不同时间时界面的扩散情况。结果表明,扩散层的厚度随烧结温度的提高和保温时间的延长而增厚;扩散层由不同的亚层组成。