锆合金与几种铸型材料界面反应研究

论文摘要

锆合金具有极其优异的耐蚀性，对核燃料有良好的相容性，在化工制药、核电站、医疗等领域有着重要而广泛的应用，被誉为“21世纪最有发展前途的材料之一”。锆合金作为活泼金属，在铸造时对铸型材料的稳定性有较高的要求，选用普通耐火材料作为铸型时会严重污染锆液，影响铸件的表面质量。对于活泼金属与铸型的界面反应，国内外的研究主要集中于钛合金，而对于锆合金的相关报道很少，因此研究锆合金与铸型材料的界面反应，探究界面反应规律，对锆合金铸造工艺有重要的指导作用。采用熔模铸造方法制备了氧化钇、氧化锆、氧化铝三种氧化物型壳，采用机械加工方法制备了石墨铸型，并在真空自耗电极电弧凝壳炉中浇铸出了锆合金试样。运用XRD、EDS、SEM等检测方法分析了铸型材料与锆试样的界面反应情况。分析结果表明，四种铸型材料中的元素均不同程度的污染了锆试样表面，并形成了新的物相。氧化铝型壳与锆液的反应最为剧烈，在锆试样表层形成了一层与基体性质完全不同的脆性污染层，其余三种铸型在铸件表层发生了元素的扩散，扩散层与基体保持着良好的连续性。运用差热分析的方法，从热力学角度分析了锆与四种铸型材料的界面反应情况，结果表明在锆的熔点温度以下时，四种材料均会与锆发生界面反应，其中氧化铝的稳定性最差，氧化钇和石墨的稳定性最好。利用Midema生成热模型计算锆熔液的活度系数，研究型壳元素对锆熔液活度的影响，计算结果表明，Al元素会降低锆液的活度，阻止了O元素向基体的进一步扩散，而Y元素提高了锆液的活度，由于Y元素的作用，使得氧化钇型壳中O的扩散距离略大于氧化锆型壳中O的扩散距离。最后结合前面的研究结果，运用相图分析了四种铸型材料与锆液的界面反应机理。从应用的角度上讲，氧化铝不能作为熔炼锆合金的铸型材料，而氧化钇、氧化锆、石墨可以作为铸型材料用于锆合金的铸造。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 锆合金铸造技术研究现状
• 1.2.1 锆合金的性质
• 1.2.2 锆合金典型熔炼技术
• 1.2.3 易氧化合金常用铸型材料研究与应用现状
• 1.3 锆合金与耐火材料界面反应实验研究现状
• 1.3.1 界面反应实验研究方法
• 1.3.2 锆合金与耐火材料界面反应研究现状
• 1.4 界面反应理论研究现状
• 1.5 本文主要研究内容
• 第二章 锆合金与铸型材料界面反应研究
• 2.1 实验材料及方法
• 2.1.1 铸型的制备
• 2.1.2 锆合金的熔炼浇注
• 2.1.3 分析手段
• 2.2 锆合金与氧化铝界面反应分析
• 2.2.1 宏观形貌
• 2.2.2 面层型壳及锆试样表面物相分析
• 2.2.3 锆试样表层形貌及元素扩散分析
• 2.2.4 硬度分析
• 2.3 锆合金与氧化锆界面反应分析
• 2.3.1 宏观形貌
• 2.3.2 面层型壳及锆试样表面物相分析
• 2.3.3 锆试样表层形貌及元素扩散分析
• 2.3.4 硬度分析
• 2.4 锆合金与氧化钇界面反应分析
• 2.4.1 宏观形貌
• 2.4.2 面层型壳及锆试样表面物相分析
• 2.4.3 锆试样表层形貌及元素扩散分析
• 2.4.4 硬度分析
• 2.5 锆合金与石墨界面反应分析
• 2.5.1 宏观形貌
• 2.5.2 铸型及锆试样表面物相分析
• 2.5.3 锆试样表层形貌及元素扩散分析
• 2.5.4 硬度分析
• 2.6 本章小结
• 第三章 锆合金与铸型材料界面反应热力学分析
• 3.1 锆/铸型材料反应差热分析
• 3.1.1 实验方法
• 3.1.2 实验结果
• 3.2 锆合金熔体活度计算
• 3.2.1 锆合金熔体中锆活度系数的计算模型
• 3.2.2 锆合金熔体中锆活度系数的计算
• 3.3 本章小结
• 第四章 界面反应机理分析
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间发表的学术论文和参加科研情况