鋯合金氧化膜中壓應(yīng)力的研究.pdf

1、鋯合金具有熱中子吸收截面小，高溫高壓水中的耐腐蝕性能和力學(xué)性能好等優(yōu)點(diǎn)，成為水冷核反應(yīng)堆中一種重要的結(jié)構(gòu)材料。在其應(yīng)用過程中，腐蝕是鋯合金包殼失效的主要形式之一。鋯合金發(fā)生腐蝕時，其表面會生成一層致密的氧化膜，該薄膜可以減緩氧離子在鋯合金中的擴(kuò)散，對基體腐蝕起到保護(hù)作用。由于鋯合金的P.B.比為1.56，當(dāng)氧化后會在氧化膜中形成一定的壓應(yīng)力，影響氧化膜顯微組織的演化，從而影響鋯合金的耐腐蝕能。所以對氧化膜中的應(yīng)力進(jìn)行研究，可以從另一角度

2、了解鋯合金的腐蝕過程以及氧化膜的顯微組織演化過程。
　　 本論文以Zr-4和N18兩種鋯合金管材為研究對象，在360℃/18.6 MPa/0.01M LiOH水溶液、360℃/18.6 MPa去離子水、400℃/10.3 MPa過熱蒸汽，以及360℃、400℃和500℃空氣中進(jìn)行腐蝕實(shí)驗(yàn)，然后用卷曲法測量了不同厚度氧化膜中的壓應(yīng)力，用掃描電子顯微鏡(SEM)和透射電子顯微鏡(TEM)進(jìn)行顯微組織觀察，用能譜儀和XRD分析了空氣中

3、腐蝕時形成氧化膜的成分和晶體結(jié)構(gòu)。得到的主要結(jié)論如下：
　　 在高壓釜中腐蝕時，兩種鋯合金在三種不同水化學(xué)條件下的耐腐蝕性能均按360℃去離子水＞360℃0.01 M LiOH水溶液＞400℃蒸汽的順序依次遞減，但它們的腐蝕規(guī)律不完全相同。氧化膜中的應(yīng)力則按360℃/去離子水＞400℃/過熱蒸汽＞360℃/LiOH水溶液的順序依次減小。在360℃/LiOH水溶液中腐蝕時氧化膜中的壓應(yīng)力最低，這與Li+和OH－會滲入氧化膜，降低了

4、氧化鋯表面自由能，從而加速了氧化膜中空位的擴(kuò)散凝聚、孔隙的形成和微裂紋發(fā)展的過程有關(guān)。400℃過熱蒸汽中腐蝕時氧化膜中的壓應(yīng)力比360℃/去離子水中腐蝕時的低，這是因?yàn)楦邷厥箍瘴坏臄U(kuò)散加快，促進(jìn)了氧化膜顯微組織的演變，從而導(dǎo)致壓應(yīng)力的弛豫過程。
　　 Zr-4或N18樣品在360℃/LiOH水溶液和去離子水中腐蝕時，腐蝕轉(zhuǎn)折前的增重十分相近，但是氧化膜中的壓應(yīng)力卻有很大的差別，在LiOH水溶液中腐蝕時氧化膜的壓應(yīng)力遠(yuǎn)低于在去離子

5、水中腐蝕時的。說明氧化膜內(nèi)應(yīng)力的變化可以反映轉(zhuǎn)折前氧化膜顯微組織的細(xì)微差別，而這種差別從腐蝕增重變化是難以覺察的。
　　 在高溫空氣中腐蝕時，兩種鋯合金的腐蝕增重均隨溫度的升高而快速增加。這除了因?yàn)闇囟壬咪?氧反應(yīng)速度加快之外，還與高溫下空氣中的氮參與了鋯合金的氧化反應(yīng)而生成氮化物ZrN0.28有關(guān)，氮化物的形成使氧化膜中的壓應(yīng)力增大；加速了氧化膜顯微組織的演化，從而影響了鋯合金在高溫下的耐腐蝕性能。
　　 鋯合金氧化