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文檔簡介
1、在水冷核動力反應堆中,鋯合金是一種重要的結構材料,用作核燃料的包殼,腐蝕和吸氫是其應用中遇到的兩個重要問題,這涉及核燃料元件的壽命和反應堆運行的安全可靠性。隨著燃料組件燃耗的進一步提高,如何提高鋯合金包殼的耐腐蝕性能和降低腐蝕時的吸氫量是兩個值得深入研究的問題。本工作以Zr-2(Zr-1.5Sn-0.2Fe-0.1Cr-0.05Ni)、Zr-4(Zr-1.5Sn-0.2Fe-0.1Cr)、N36(Zr-1Sn-1Nb-0.3Fe)和N1
2、8(Zr-1Sn-0.35Nb-0.3Fe-0.1Cr)四種成分鋯合金為研究對象,采用不同的熱處理制備第二相尺寸和數(shù)量不同的樣品,研究了這些樣品在4000C/10.3MPa過熱蒸汽和360℃/18.6MPa/0.01M LiOH水溶液中的腐蝕和吸氫行為,探討了第二相影響鋯合金腐蝕時吸氫行為的機理。 得到的主要實驗結果和結論如下: 1.經(jīng)β相水淬處理的Zr-4樣品在360℃/LiOH水溶液中腐蝕時表現(xiàn)出非常優(yōu)良的耐腐蝕性能
3、,在長達529d的腐蝕試驗中,腐蝕增重一直與ZIRLO和N18合金的相當。β相水淬處理后Zr-4合金基體中過飽和固溶的Fe和Cr含量分別達到700gμg/g左右,這是β相水淬處理提高Zr-4合金在360℃/LiOH水溶液中耐腐蝕性能的主要原因,這為開發(fā)新鋯合金提供了新的思路。 2.熱處理對Zr-Sn系的Zr-2和Zr-4合會在400℃過熱蒸汽中耐腐蝕性能的影響規(guī)律與在360℃/LiOH水溶液中腐蝕時的不同:從β相快冷和α上限溫區(qū)
4、處理使Zr-4和Zr-2合金在400℃過熱蒸汽中的耐腐蝕性能變壞,但卻能改善Zr-4合金在360℃/LiOH水溶液中的耐腐蝕性能。這說明提高α-Zr基體中過飽和固溶的Fe、Cr或Ni合金元素含量會對Zr-4和Zr-2合金在400℃過熱蒸汽中的耐腐蝕性能產(chǎn)生有害影響。 3.含Nb較高的N36合金在820℃保溫2h處理后晶粒內殘留的棒狀β-Zr在隨后偏析溫度(610℃)以下580℃時效處理時并未發(fā)生分解,但時效處理之前的冷軋變形可促
5、進它的分解,形成條帶狀分布的第二相:冷軋之前的β相水淬處理可以獲得納米大小、彌散分布的第二相。腐蝕試驗表明,顯微組織對N18和N36合金在400℃過熱蒸汽中耐腐蝕性能的影響規(guī)律與360℃/LiOH水溶液中的基本相同:β-zr的存在對耐腐性能都是有害的,β-zr分解并獲得納米大小、彌散分布的第二相后可明顯改善它們的耐腐蝕性能。 4.無論是在400℃過熱蒸汽中,還是在360℃/LiOH水溶液中,N18合金的耐腐蝕性能均優(yōu)于N36合金。N18
6、和N36合金經(jīng)700~1020℃處理、冷軋和580℃/50h時效處理后,基體中固溶的Nb含量分別為0.15~0.3%和0.55~0.57%,前者更接近腐蝕溫度時Nb在α-Zr基體中的平衡固溶度,這是N18合金耐腐蝕性能優(yōu)于N36合金的原因。從合金元素對鋯合金耐腐蝕性能影響的角度來說,添加的Nb含量不宜太高。 5.在400℃過熱蒸汽中腐蝕時,Zr-Sn-Nb系的N18合金的耐腐蝕性能略低于常規(guī)處理的Zr-4合金,但N36合金的耐腐
7、蝕性能明顯不如常規(guī)處理的Zr-4合金,而在360℃/LiOH水溶液中腐蝕時,N18和N36合金的耐腐蝕性能明顯優(yōu)于常規(guī)處理的Zr-4合金,這進一步證實不同水化學條件下合金元素影響鋯合金耐腐蝕性能的規(guī)律是不同的。 6.合金成分對鋯合金腐蝕時的吸氫行為有很大影響。用腐蝕增重對樣品腐蝕后的氫含量進行歸一化處理后,可以看出在相同的腐蝕增重情況下,Zr-2合金腐蝕時的吸氫量最大,其次是Zr-4和N18合金,而N36合金的吸氫量最小,這與不
8、同合金中的第二相種類和成分密切相關。Zr-2合金中含有Ni、Fe、Cr,它們與Zr形成的第二相有Zr2(Fe,Ni)和Zr(Fe,Cr)2;Zr-4合金中含有Fe、Cr,它們與Zr形成的第二相有Zr(Fe,Cr)2;N18合金是在Zr-4合金基礎上添加少量Nb的新合金,其中也含有Zr(Fe,Cr)2第二相;N36合金也是一種含Nb鋯合金,與N18合金相比,Nb含量更高但不含Cr,形成的第二相主要為β-Nb和Zr-Nb-Fe第二相。眾所周
9、知,Zr2(Fe,Ni)和Zr(Fe,Cr)2本身是一種強烈吸氫的金屬間化合物,這說明如果添加的合金元素與Zr形成的第二相是一種比Zr吸氫能力更強的物質,那么它對鋯合會腐蝕時的吸氫行為會產(chǎn)生顯著影響,從減少腐蝕時吸氫的角度來考慮,這種合金元素要盡量少加。這一結果可為開發(fā)新鋯合金時選擇合金元素提供有價值的參考。 7.熱處理對不同成分鋯合金腐蝕時的吸氫行為影響程度不一樣,其中對Zr-2合金的影響最大,其次是Zr-4合金,而對N18和
10、N36合金的影響都比較小,這除與第二相的種類有關外,還與第二相的尺寸和數(shù)量密切相關。當合金中的第二相本身是一種強烈吸氫的物質時,要盡量減小這種第二相的尺寸,這對減少腐蝕時的吸氫是有利的。這一結果可為優(yōu)化鋯材成型加工工藝,控制顯微組織,并獲得最佳的使用性能提供依據(jù)。 8.腐蝕溫度對吸氫的影響非常大。鋯合金在400℃過熱蒸汽中腐蝕時的吸氫分數(shù)(20~40%)明顯大于360℃/LiOH水溶液中的吸氫分數(shù)(10~20%),前者比后者高出一倍。這
11、給我們的啟示是如果要發(fā)展超臨界水堆核燃料包殼用鋯合金,那么除了需要解決耐腐蝕性能以外,吸氫問題應給予更大關注。 9.二次離子質譜分析證實Zr-4合金樣品無論是在400℃過熱蒸汽還是360℃/LiOH水溶液中腐蝕后形成的氧化膜中均存在H+和OH-?;谶@一事實,提出了鋯合金腐蝕時的吸氫機制如下:腐蝕介質中的水分子得到從金屬/氧化膜界面處擴散到氧化膜表面的電子發(fā)生H2O+e→H+OH的反應,OH通過氧化膜擴散到金屬/氧化膜界面處與鋯
12、發(fā)生2OH+Zr→ZrO2+2H+2e的反應直接生成氫,一部分氫可以被α-Zr基體吸收?;谶@一吸氫機制,提出了第二相影響鋯合金腐蝕時吸氫行為的機理:當?shù)诙嗍且环N比鋯吸氫能力更強的物質時,金屬/氧化膜界面處未被氧化的這些第二相可作為吸氫的優(yōu)先通道,這類第二相的尺寸和數(shù)量會對鋯合金腐蝕時的吸氫行為產(chǎn)生明顯影響;當?shù)诙嗍且环N比鋯吸氫能力弱的物質時,鋯合金腐蝕時的吸氫行為主要取決于α-Zr基體本身,這類第二相的尺寸和數(shù)量對鋯合金腐蝕時的吸
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