锆合金表面耐事故涂层研究进展

锆合金表面涂层是核电耐事故燃料研究的一个重要技术途径。本文综述了福岛事故后锆合金包壳外表面耐事故涂层的研究进展,依据涂层制备中的涂层材料、制备工艺、涂层性能表征等关键问题逐次展开。首先介绍用于核电锆合金表面的涂层材料,主要包括金属涂层、陶瓷类涂层、合金涂层和多层复合涂层。其次,介绍用于锆合金表面耐事故涂层的制备工艺,主要包括冷喷涂、离子镀、磁控溅射和其他种类的制备工艺。最后,介绍锆合金表面耐事故涂层性能表征方法以及涂层材料和制备工艺对涂层性能影响的研究工作,涂层性能包括涂层表面完整性和关键堆外性能两个方面。本研究进展可为进一步研究与开发锆合金表面耐事故涂层提供重要参考。     

膜厚对溅射铬膜与锆合金基体附着性的影响

研究了膜层厚度对锆合金基体上制备的直流磁控溅射铬膜附着性的影响。用扫描电镜观察了界面形貌，用原子力显微镜观察了膜层表面形貌．用能谱仪测定了界面成分．用划痕法测定了铬膜的附着性。结果表明：膜／基界面结合良好，界面上存在成分梯度．成分升降区狭窄；随着铬膜厚度从0．5μm增加到2．0μm，晶粒迅速长大、致密的纫纤维状组织的端面出现拱形．铬膜层附着性降低约50％；但铬膜厚度达1．0μm后．晶粒长大的速度和铬膜附着性下降的速度同时趋缓，表明铬膜的附着性与其晶粒大小有明显关系。膜层厚度增加引起膜层附着性下降的主要原因是由于厚度增加所带来的膜层组织及力学性能变化和膜层应力增加。     

Cr涂层厚度对锆合金包壳GTAW焊缝组织与性能的影响分析

研究了Cr涂层厚度对锆合金包壳GTAW接头组织和性能的影响,结果表明涂层明显降低焊缝的熔深,Cr元素非均匀熔入焊缝造成焊缝点状特征出现,且随涂层厚度增加而增多,当涂层厚度超过20μm后,涂层侧焊缝形成鱼骨状的共晶组织,并观察到沿晶间扩展的显微裂纹。水腐蚀下焊缝表面的富Cr层具有明显的裂纹和脱落倾向,熔于焊缝内的Cr元素则显著增加焊缝的硬度,当Cr涂层厚度为15μm时焊缝硬度最高,达到299 Hv,涂层厚度继续增加焊缝硬度出现降低趋势。     

锆合金包壳水侧SiC涂层研究

研究了聚碳硅烷（PCS）粉末的高温裂解特性及PCS粉末与锆粉间的化学反应机理,并在900 ℃制备了SiC涂层。研究发现,900 ℃开始,PCS裂解产物由无定形态SiC向结晶态转变。不同温度下,PCS粉末与锆粉的混合物发生一系列化学反应,产物为ZrC、Zr₂Si、Si₃Zr₅,通过调节反应温度,可控制该化学反应的程度,进而实现对涂层成分的调节。采用先驱体转化法（PIP）在锆合金包壳表面制备了SiC涂层,经PCS溶液浸涂-裂解3次循环可得到SiC陶瓷层,厚度为4 μm,涂层成分为SiC,ZrC为过渡层。划痕法测试得到涂层附着力等级为1～2级。     

等温退火对锆合金表面非晶AlNbTiZr中熵合金涂层结构与力学性能的影响

对磁控溅射法制备的AlNbTiZr中熵合金涂层在500℃下进行了不同时间(0～150 h)的真空等温退火。采用XRD、SEM及纳米压痕和纳米划痕的分析手段研究了等温退火对涂层显微组织演变和力学性能的影响。结果表明：经500℃/150 h退火后涂层相结构出现了结晶现象。涂层经60 h等温退火后其硬度和弹性模量均达到最大值为10.7 GPa和152.7 GPa,而90 h和150 h热处理后硬度和弹性模量均有所下降。随着等温退火时间的延长,塑性变形能力和断裂韧性有所提高。Al、Nb和Ti元素在界面处的相互扩散加剧,界面结合强度有较大提升。这均有利于涂层适应压水堆苛刻的工作条件。     

锆钇合金靶件性能对镀膜工艺影响研究

采用脉冲偏压电弧离子镀技术在不锈钢基片上制备氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)薄膜.通过改变靶材成分均匀性和致密性,分析其对起弧性能、镀膜工艺稳定性的影响;使用金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD),对合金靶材及制备的YSZ涂层进行全面分析.结果表明,通过包覆热轧及退火热处理的合金靶材起弧性能好,镀膜工...     

合金元素铌对新锆合金耐蚀性能的影响

用SEM波谱分析手段,定性研究了合金元素铌在新锆合金中的存在方式.结果表明,添加的合金元素铌主要存在于LAVES相中,在α-Zr中的固溶度则小于100 μg·g-1.由此可推断,铌和铁、铬共存时,优先形成沉淀相,造成它在α-Zr中固溶量的降低.结合2种新锆合金(低铌NZ2 ,高铌NZ8)板材在360 ℃含锂水中和400、500 ℃蒸汽中的堆外高压釜腐蚀性能方面的以往研究结果,对铌的作用进行了唯象的讨论,并指出,认知固溶于α-Zr中微量的铌和大量存在于LAVES相中的铌对腐蚀机理的影响是今后研究的重要课题.     

热处理工艺与合金成分对国产新锆合金拉伸性能及显微组织的影响

采用MTS材料试验机研究了去应力态和再结晶态的SZA4(Zr-0.8Sn-0.25Nb-0.35Fe-0.1Cr-0.05Ge)、SZA6(Zr-0.5Sn-0.5Nb-0.3Fe-0.015Si)2种不同成分的锆合金在室温和385℃的拉伸性能,采用扫描电镜(SEM)分析了断口形貌,采用透射电镜(TEM)分析合金与第二相的微观结构。结果表明:各材料均有较好的力学性能,SZA4-450℃的强度最高,SZA4-560℃和SZA6-560℃的塑性最好;各材料的微观断口形貌均为韧窝,表明断裂方式为韧性断裂,同时可见大量的第二相粒子均匀、弥散地分布在基体中;SZA-4中存在2种密排六方结构(HCP)的第二相,尺寸较小的为Zr(Nb F20e Cr)2,尺寸较大的为Zr(Nb Fe Cr Ge)2,SZA-6中存在面心立方结构(FCC)的(Zr Nb)2 Fe和HCP结构的Zr(Nb Fe)2 2种第二相。最后分析了热处理工艺和合金成分对拉伸性能及显微组织的影响,认为热处理工艺的影响起主要作用。     

常压下ATF锆合金包壳Cr涂层表面饱和池式沸腾气泡行为实验研究

铬（Cr）涂层锆合金包壳是最有前途的耐事故燃料（ATF）的新型包覆材料之一,对其表面的气泡动力学进行研究有助于评估是否具有更好的传热性能。在常压下的Cr涂层锆合金包壳池式沸腾实验装置中对不同工艺方法下制备的Cr涂层锆合金包壳进行实验,研究了粗糙度等表面状态对气泡产生、长大以及脱离等气泡行为的影响。结果表明,气泡接触角与Cr涂层表面粗糙度有关,粗糙度越大,表面气泡接触角越小;不同涂层工艺下制备的4种Cr涂层锆合金包壳样件表面的气泡脱离直径范围为1.256～1.446 mm,气泡脱离频率范围为29.99～50.97 Hz;气泡脱离直径与粗糙度呈负相关,脱离频率与粗糙度呈正相关;气泡脱离直径预测模型与实验数据之间的偏差为±6%,脱离频率预测模型与实验数据之间的偏差为±3%。     

脉冲偏压对贫铀表面磁控溅射离子镀铝结合强度的影响

采用磁控溅射离子镀技术在不同偏压下于贫铀表面制备铝镀层，用扫描电镜和俄歇电子能谱仪对镀层形貌和界面元素分布进行分析，用拉伸法对镀层的结合强度进行测定。结果表明：在-900V脉冲偏压下所得镀层与铀基体结合良好，镀层与基体之间存在较为明显的“伪扩散区”；与直流偏压相比较，脉冲偏压所得镀层结合强度明显增强，镀层的致密性显著改善。     

基于Z′参数的高强铝合金稳态蠕变速率可靠性研究

建立了基于速率温度参数模型的新型高强铝合金Z′参数表达式及稳态蠕变速率 可靠度预测方法,Z′参数表征稳态蠕变速率数据偏离速率温度参数模型主曲线的程度。结合实测数据,研究了Z′参数的统计分布规律。基于Z′参数,分别得出新型高强铝合金实验应力 速率温度参数 可靠度曲线和温度 许用应力 可靠度曲线。结果显示,新型高强铝合金Z′参数满足正态分布规律。稳态蠕变速率预测上限随可靠度的增加而升高。外推至稳态蠕变速率上限10-7 h-1时,新型高强铝合金在50、80 ℃下的许用应力（可靠度997%）分别为4700、2945 MPa。与传统安全系数法相比,基于Z′参数的预测结果更合理。