Zr-0.75Sn-0.35Fe-0.15Cr-xNb合金在He+辐照下的显微组织演变及其对腐蚀行为的影响

本工作采用2 MeV He⁺在300℃下对Zr-0.75Sn-0.35Fe-0.15Cr-x Nb(x=0,1.0,mass fraction,%)合金进行辐照,然后在360℃/18.6 MPa/0.01 mol/L LiOH水溶液中进行高压釜腐蚀实验,利用扫描电子显微镜和透射电子显微镜研究辐照对合金显微组织及腐蚀行为的影响。结果表明,添加Nb改变了Zr-0.75Sn-0.35Fe-0.15Cr合金中第二相的数量、尺寸和晶体结构。He⁺辐照1 dpa后,合金的辐照损伤峰区域分布有大量的He泡和型位错环,添加Nb对He泡和位错环的数量及第二相的元素扩散等均产生了一定的影响。腐蚀结果表明,He⁺辐照或添加1.0%的Nb均可促进Zr-0.75Sn-0.35Fe-0.15Cr合金的腐蚀,但当二者同时存在时,辐照能减弱Nb促进腐蚀的作用。     

Sn含量对Zr-Sn-0.2Fe-0.1Cr合金高温蒸气氧化行为的影响

锆合金的高温蒸气氧化行为是失水事故下需要重点关注的问题之一。为了研究Sn对锆合金高温蒸气氧化行为的影响,开展了不同Sn含量的SH12(Zr-0.75Sn-0.2Fe-0.1Cr,质量分数,%)和Zr-4(Zr-1.5Sn-0.2Fe-0.1Cr)合金在模拟失水事故工况下1000、1050、1100和1200℃的高温蒸气氧化试验。采用光学显微镜、电子探针、显微硬度计分析了氧化样品的显微组织以及氧化前后样品的显微硬度。结果表明：低Sn的SH12比高Sn的Zr-4合金的抗高温蒸气氧化性能更好,这说明降低Sn含量可以改善锆合金的抗高温蒸气氧化性能。氧化前,SH12合金的显微硬度低于Zr-4合金,而氧化后SH12合金基体的显微硬度明显高于Zr-4合金,与氧化后SH12合金基体中的氧含量高于Zr-4合金的结果相吻合,这说明Sn有抑制氧在Zr基体中扩散的作用。通过第一性原理计算,发现Sn容易与O结合,从而抑制了O在锆基体中的扩散,这合理解释了氧化后SH12合金中的氧含量比Zr-4合金高的原因。     

夹杂物对316L不锈钢初期点蚀影响的数值模拟

稀土元素的添加通常能改善不锈钢的耐腐蚀性能。为了研究稀土元素铈对316L不锈钢耐腐蚀性能的影响,基于扫描电镜(SEM)、动电位极化(PDP)试验,采用有限元方法研究了含不同分布形态夹杂物的316L不锈钢在质量分数为0.9%的NaCl溶液中的早期腐蚀行为。结果表明:添加铈后,316L不锈钢中夹杂物的形态由长条状转变为圆形。有限元模拟发现:当腐蚀初期不锈钢暴露在溶液中的阳极面积相等时,含长条状夹杂物的不锈钢相较于含圆形夹杂物的不锈钢的纵向点蚀速度更快,点蚀坑的尺寸更大,点蚀孔窄且深,更利于点蚀的发展。当不锈钢中夹杂物面积为定值时,夹杂物的近邻分布会加快纵向点蚀速度,增加点蚀坑的数量和尺寸,点蚀孔窄且深;夹杂物远邻分布时,点蚀孔宽且浅。     

不同氧化程度锆合金失水事故降温过程应力场演变研究

为了研究不同氧化程度的锆合金在失水事故过程应力场的演变规律,以失水事故后三层结构的Zr-4包壳为研究对象,将α-Zr(O)体积分数代表不同氧化程度的锆合金包壳,建立3种不同氧化结构的锆合金模型并进行1200～800℃再到室温的两步冷却有限元模拟。计算结果表明：氧化膜内的应力为压应力,且氧化膜应力随温度降低的变化梯度最大,导致α-Zr(O)层与基体的交界处产生较大的残余应力;基体组织体积占比越大的模型降温后内部残余应力越小;低氧化程度模型中α-Zr(O)层在降温末期应力基本不变,但在氧化程度较高时有明显的应力集中现象,高氧化程度模型在降温时会产生较大的压应变,并导致基体产生较大变形。对降温过程不同氧化程度模型的各组织进行了相应的本构分析,发现淬火初期各层组织的应力先降低后增加,基体靠近α-Zr(O)层边缘组织与心部组织力学性质存在差异,氧化程度较高的模型,同样应变下基体心部组织压应力高于边缘组织。     

Al/MoO_3体系含能材料反应力场关键参数的研究

运用单参数连续优化方法拟合了亚稳态分子间复合物Al/MoO_3体系反应力场(Reax FF)的Mo-O和Al-Mo-O参数部分。采用拟合后的Reax FF计算了Al/MoO_3体系Mo-O和Al-Mo-O结构的多种物理性能,并与相对应的第一性原理(DFT)计算值进行对比。结果表明,拟合后的Reax FF可以准确地描述Al/MoO_3体系中Mo-O和Al-Mo-O结构的能量变化、晶体结构和力学稳定性,但对这些结构的弹性常数描述存在偏差。     

稀土Ce对316L不锈钢耐腐蚀性能的影响

采用失重分析,扫描电镜(SEM),能谱分析(EDS),电化学阻抗谱(EIS)和动电位极化实验(DP)等方法研究稀土元素Ce对316L不锈钢在3.5%(质量分数) NaCl腐蚀环境中耐腐蚀性能的影响。结果表明,添加适量的稀土元素Ce可有效减小316L不锈钢在3.5%NaCl溶液中的重量损失,降低其腐蚀速率,减小腐蚀表面点蚀坑的尺寸与数量,提高316L不锈钢在3.5%NaCl溶液中的腐蚀电位,降低其腐蚀电流密度,增大容抗弧半径,提高耐蚀性能。因此,本文确定提高316L不锈钢在3.5%NaCl溶液中耐腐蚀性能的最佳稀土元素Ce含量为0.015%(质量分数),并进一步揭示了Ce改善316L不锈钢耐腐蚀性能的主要原因:Ce可有效降低有害元素S在晶界处偏聚,净化晶界;改善夹杂物的形貌,减小夹杂物的尺寸。     

Sn和Nb对锆合金在低真空环境下初期氧化行为的影响

锆合金是核反应堆中用作核燃料包壳的重要结构材料,研究其在低真空环境下的初期氧化行为有助于认识锆合金的氧化机制。本工作将Zr-0.75Sn-0.35Fe-0.15Cr、Zr-0.75Sn-0.35Fe-0.15Cr-0.15Nb和Zr-1.5Sn-0.35Fe-0.15Cr(质量分数,%,下同)3种合金制成大晶粒样品,再用电解双喷制成透射电子显微镜(TEM)薄样品,并通过大晶粒TEM薄样品在真空度为3 Pa的真空管式炉中进行280和290℃的氧化实验来研究Sn和Nb对锆合金初期氧化行为的影响。结果表明:添加Nb或提高Sn含量均促进Zr-0.75Sn-0.35Fe-0.15Cr合金在低真空条件下280和290℃氧化初期ZrO_2晶粒的形核和长大。低真空条件下280℃/30 min氧化时,添加Nb会促进ZrO_2晶粒增大,而提高Sn含量使ZrO_2晶粒由球状变为短棒状。随着氧化温度升高(290℃/30 min),Zr-0.75Sn-0.35Fe-0.15Cr和Zr-1.5Sn-0.35Fe-0.15Cr合金表面ZrO_2晶粒出现长大现象,而Zr-0.75Sn-0.35Fe-0.15Cr-0.15Nb合金表面ZrO_2晶粒形核速率较快。     

Cu对Zr-1Sn-0.35Fe-0.15Cr-0.10Nb合金在400℃含氧过热蒸气中耐腐蚀性能的影响

为了探究Cu对Zr-1Sn-0.35Fe-0.15Cr-0.10Nb(质量分数,%)合金在400℃/1×10^-6μL/L含氧过热蒸气中耐腐蚀性能的影响。将Zr-1Sn-0.35Fe-0.15Cr-0.10Nb和Zr-1Sn-0.35Fe-0.15Cr-0.10Nb-0.05Cu合金样品放入动态高压釜中进行400℃/10.3 MPa/1×10^-6μL/L含氧过热蒸气腐蚀试验。采用SEM、TEM和XPS等表征手段对氧化膜的显微组织以及氧化膜中各元素的价态进行分析。结果表明：微量Cu的添加改善了Zr-1Sn-0.35Fe-0.15Cr-0.10Nb合金的耐腐蚀性能;Cu在氧化膜中主要以Cu和Cu⁺形式存在;Cu的添加会促进氧化膜中的Sn和Sn²⁺向Sn⁴⁺和Fe²⁺向Fe³⁺的转化。从Cu的添加影响氧化膜中合金元素的氧化行为和抑制了氧化膜中孔隙和裂纹生成等角度探讨了Cu改善Zr-1Sn-0.35Fe-0.15Cr-0.10Nb合金耐腐蚀性能...     

500 ℃过热蒸汽中锆合金基体晶粒形貌和取向对应力状态的影响

为了研究Zr-4合金在500 ℃条件下晶粒取向与晶粒形貌对合金基体应力分布状态的影响,采用有限元方法构建三种不同晶粒形貌的模型,以(11-20)取向晶粒占比为变量,施加氧化膜生成时作用于基体产生的应力,对Zr-4合金基体晶粒变形进行模拟。计算结果表明：晶粒形貌与不同取向晶粒占比对基体晶粒内部应力分布的影响有明显规律。随着(11-20)取向晶粒占比（14.6 %-85.4 %）的增加,Zr-4合金基体中的应力集中现象更加明显,应力集中将促使Zr-4合金在腐蚀中加速失效;晶粒形貌越接近等轴晶,模型中应力分布越均匀,应力值趋于减小,有利于提高合金的耐腐蚀性能。