合金化微量Si及加工工藝對(duì)Zr-Sn-Nb合金微觀組織和腐蝕行為影響的研究.pdf

1、鋯合金因其優(yōu)異的核性能而被用作核反應(yīng)堆堆芯包殼管材料。目前我國自主能生產(chǎn)的還是第二代鋯合金，第三代鋯合金只能通過進(jìn)口獲得，設(shè)計(jì)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能第三代核用鋯合金是當(dāng)務(wù)之急的任務(wù)?，F(xiàn)階段的研究對(duì)鋯合金腐蝕動(dòng)力學(xué)轉(zhuǎn)變的機(jī)理研究依然不夠深入，探索深層次的腐蝕機(jī)理尤為重要。本論文以自主設(shè)計(jì)熔煉的Zr-0.5Sn-0.35Nb-0.35Fe-0.02Si-0.08O，Zr-0.5Sn-0.35Nb-0.35Fe-0.05Cu-0.08O和

2、Zr-0.5Sn-0.35Nb-0.35Fe-0.08O合金為主要研究對(duì)象，采用掃描電子顯微鏡(SEM)，電子背散射衍射(EBSD)，透射電子顯微鏡(TEM)，X射線衍射(XRD)，顯微硬度實(shí)驗(yàn)，高壓釜腐蝕實(shí)驗(yàn)，拉伸實(shí)驗(yàn)，定量金相等技術(shù)，通過不同的加工工藝制備樣品，系統(tǒng)的研究了這些樣品的微觀組織、拉伸性能和在360℃/18.6MPa純水和0.01mol/L的LiOH水溶液條件下的腐蝕行為，探討了Zr-Sn-Nb合金的腐蝕機(jī)制。得到的主要

3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論如下：
　　1. Zr-0.5Sn-0.4Nb-0.3Fe-0.02Si-0.08O合金在傳統(tǒng)軋制退火工藝和二次β水淬工藝加工下，得到再結(jié)晶組織，具有細(xì)小均勻的第二相粒子。在傳統(tǒng)退火工藝加工下，可以得到含有等軸晶以及尺寸在200-300nm亞晶的合金樣品；在二次β水淬工藝加工下，合金中含有殘留寬度大約為200nm的板條組織，且第二相粒子的尺寸比常規(guī)軋制退火工藝加工的樣品更小。兩組工藝加工下，合金的耐腐蝕性能及吸氫性能

4、，均優(yōu)于低錫Zr-4合金，與M5合金持平或略優(yōu)于M5合金。并且，該合金通過兩種工藝加工后，合金擁有燃料包殼管需要的充足的拉伸性能。
　　2.微量添加的Si元素到Zr-0.5Sn-0.4Nb-0.3Fe-0.08O合金中，可以細(xì)化第二相粒子，降低合金再結(jié)晶度，并提高合金的強(qiáng)度。在腐蝕過程中，氧化膜與其消耗的金屬基體存在較大的體積差異而在界面處產(chǎn)生巨大應(yīng)力。該應(yīng)力使金屬基體變形而產(chǎn)生波狀起伏界面伴隨裂紋產(chǎn)生。強(qiáng)度高的合金界面波狀起伏演

5、化較慢，裂紋出現(xiàn)的時(shí)間較晚。然而，微量的Si后并不明顯改變氧化膜的敏感性。因此，含Si合金發(fā)生腐蝕動(dòng)力學(xué)轉(zhuǎn)變的時(shí)間比未含Si合金晚，耐腐蝕性能得到提升。
　　3.發(fā)生腐蝕動(dòng)力學(xué)轉(zhuǎn)變前，幾乎所有裂紋都產(chǎn)生于波狀起伏界面的波峰之上。隨著氧化膜的生長，越來越多的裂紋出現(xiàn)在氧化膜中。隨著波狀起伏幅度的增加，裂紋的長度也相應(yīng)的增加。當(dāng)這些長裂紋聯(lián)結(jié)在一起，把氧化膜分成兩層時(shí)，發(fā)生腐蝕動(dòng)力學(xué)轉(zhuǎn)變。第二相粒子和t-ZrO2向m-ZrO2的轉(zhuǎn)變都

6、可能成為形成裂紋的敏感區(qū)域。形成裂紋的驅(qū)動(dòng)力是因?yàn)檠趸ず徒饘傩纬刹钇鸱鴮?dǎo)致的氧化膜中的應(yīng)力再分配，在波峰之上形成垂直于氧化膜與金屬基體界面的拉應(yīng)力。發(fā)生腐蝕動(dòng)力學(xué)轉(zhuǎn)變之后，因?yàn)榕c金屬基體相互作用的氧化膜層厚度減少，界面處機(jī)械能降低，界面的波狀起伏再次變得平緩。
　　4.在β相淬火和熱軋之間加入低溫預(yù)變形后對(duì) Zr-0.5Sn-0.4Nb-0.3Fe-0.05Cu-0.08O合金的微觀組織具有顯著的影響。低溫預(yù)變形引入位錯(cuò)，增

7、加第二相粒子的形核位置，減小第二相粒子的初始直徑，在熱軋之后就得到細(xì)化的晶粒和均勻分布的第二相粒子。與直接熱軋的樣品的微觀組織差異（晶粒尺寸，織構(gòu)，第二相粒子的分布）在多次軋制退火后已不明顯，但低溫預(yù)變形樣品在加工流程早期階段就可以獲得均勻的組織，尤其是第二相的分布，有益于優(yōu)化加工工藝，并提高組織的可控性。
　　5.在Zr-0.5Sn-0.4Nb-0.3Fe-0.05Cu-0.08O合金中發(fā)現(xiàn)，腐蝕行為對(duì)微觀組織的變化很敏感。對(duì)于

8、部分再結(jié)晶樣品，腐蝕速率常數(shù)隨著再結(jié)晶度的降低而升高，腐蝕動(dòng)力學(xué)轉(zhuǎn)變時(shí)間隨著合金拉伸強(qiáng)度的提高而推遲。橫向裂紋與腐蝕動(dòng)力學(xué)轉(zhuǎn)變有關(guān)，出現(xiàn)在波狀起伏界面上幅度較大的起伏之上。強(qiáng)度高的合金其波狀起伏界面演化慢，因此擁有更好的耐腐蝕性能。
　　6.鋯合金的腐蝕增重符合拋物線規(guī)律，當(dāng)腐蝕的速率足夠高，變形的基體可以在波狀起伏界面幅度變大前被腐蝕掉。隨著腐蝕速率逐漸降低，氧化膜和金屬的界面向內(nèi)移動(dòng)的速度也相應(yīng)逐漸降低，應(yīng)力作用于變形基體的時(shí)