鋯合金氧化膜中壓應力的研究.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性能好等優(yōu)點，成為水冷核反應堆中一種重要的結構材料。在其應用過程中，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散，對基體腐蝕起到保護作用。由于鋯合金的P.B.比為1.56，當氧化后會在氧化膜中形成一定的壓應力，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力進行研究，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℃空氣中進行腐蝕實驗，然后用卷曲法測量了不同厚度氧化膜中的壓應力，用掃描電子顯微鏡(SEM)和透射電子顯微鏡(TEM)進行顯微組織觀察，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構。得到的主要結論如下：
　　 在高壓釜中腐蝕時，兩種鋯合金在三種不同水化學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散凝聚、孔隙的形成和微裂紋發(fā)展的過程有關。400℃過熱蒸汽中腐蝕時氧化膜中的壓應力比360℃/去離子水中腐蝕時的低，這是因為高溫使空位的擴散加快，促進了氧化膜顯微組織的演變，從而導致壓應力的弛豫過程。
　　 Zr-4或N18樣品在360℃/LiOH水溶液和去離子水中腐蝕時，腐蝕轉折前的增重十分相近，但是氧化膜中的壓應力卻有很大的差別，在LiOH水溶液中腐蝕時氧化膜的壓應力遠低于在去離子

5、水中腐蝕時的。說明氧化膜內應力的變化可以反映轉折前氧化膜顯微組織的細微差別，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。這除了因為溫度升高鋯-氧反應速度加快之外，還與高溫下空氣中的氮參與了鋯合金的氧化反應而生成氮化物ZrN0.28有關，氮化物的形成使氧化膜中的壓應力增大；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