合金元素Cu和Mn對(duì)鋯合金腐蝕行為的影響.pdf

1、鋯合金廣泛用作水冷動(dòng)力堆的元件包殼及堆芯結(jié)構(gòu)材料，其耐腐蝕性能的提高和優(yōu)化有利于燃料組件向高性能、深燃耗方向發(fā)展。本工作在Zr-4(Zr-1.5Sn-0.2Fe-0.1Cr)和N18(Zr-1Sn-0.35Nb-0.3Fe-0.1Cr)合金的基礎(chǔ)上，添加合金元素Cu和Mn，得到10種成分不同的新鋯合金，并在400℃/10.3MPa過(guò)熱蒸汽和360℃/18.6MPa/0.01M LiOH水溶液中進(jìn)行堆外高壓釜腐蝕試驗(yàn)。用透射電子顯微鏡(T

2、EM)確定鋯合金基體中第二相的成分和結(jié)構(gòu)，用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察不同腐蝕程度氧化膜的特征，進(jìn)而探討合金元素Cu和Mn對(duì)鋯合金中第二相類型以及耐腐蝕性能的影響。 在Zr-4合金中，Cu的添加會(huì)形成新相Zr2Cu，并且還有一部分Cu會(huì)進(jìn)入原Zr-4合金中的Zr(Fe，Cr)2形成Zr(Fe，Cr，Cu)2相；Mn的添加不形成單獨(dú)的ZrMn2相，但Mn可以進(jìn)入原Zr(Fe，Cr)2中形成Zr(Fe，Cr,Mn)2相，其中Mn的

3、相對(duì)含量隨著合金中Mn的增加而升高。 在400℃/10.3MPa過(guò)熱蒸汽中腐蝕時(shí)，退火態(tài)Zr-4合金的耐腐蝕性能最好。Cu和Mn的添加(Cu:0.046～0.18％；Mn:0.07～0.35％)都降低了Zr-4和N18合金的耐腐蝕性能，而且隨著添加量增加其耐腐蝕性能逐漸變壞，Mn的有害作用比Cu更加明顯。 在360℃/LiOH水溶液中腐蝕時(shí)，退火態(tài)Zr-4合金的耐腐蝕性能最差。Cu和Mn的添加(Cu:0.046～0.18

4、％；Mn:0.07～0.35％)改善了Zr-4合金的耐腐蝕性能，其中添加0.35％ Mn的新鋯合金耐腐蝕性能最好；而Cu和Mn的添加卻在一定程度上降低了N18合金的耐腐蝕性能。含Cu的Zr-4合金腐蝕時(shí)，表面晶粒生長(zhǎng)存在不均勻性，有些區(qū)域的晶粒比較粗大，另外一些區(qū)域的晶粒則比較細(xì)小致密，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，晶粒間出現(xiàn)孔隙，并明顯長(zhǎng)大。 鋯合金氧化膜的顯微組織存在明顯的分層現(xiàn)象，外表層的細(xì)晶區(qū)由等軸晶組成，中間層為保留著柱狀晶生長(zhǎng)痕跡的

5、等軸晶，內(nèi)層為基本垂直于氧化膜／金屬界面生長(zhǎng)的致密柱狀晶。不同鋯合金氧化膜中柱狀晶的多少是顯微結(jié)構(gòu)演化快慢留下的結(jié)果，也使合金耐腐蝕性能產(chǎn)生差異。含Mn的Zr-4合金中，第二相氧化時(shí)與基體的相容性不好，或者生成的氧化錳可能會(huì)部分溶于高溫高壓水中，造成原來(lái)第二相的地方出現(xiàn)孔洞。鋯合金第二相中的Fe元素在它們受到腐蝕氧化的過(guò)程中會(huì)被排擠出來(lái)，腐蝕轉(zhuǎn)折后，F(xiàn)e沿著氧化膜中的孔洞和裂紋擴(kuò)散到表面形成氧化鐵的晶體。氧化膜內(nèi)表面的“花菜狀”起伏程度