表面纳米化对Zr-4合金腐蚀性能的影响研究

论文摘要

锆合金热中子吸收截面小,具有较好的耐腐蚀和高温力学性能,而广泛应用于核动力反应堆中作为燃料包壳材料和堆内结构材料。作为反应堆安全运行的第一道屏障,包壳的内壁受到裂变产物的侵蚀,外壁受到高温高压水的冲刷和腐蚀、中子辐照损伤及腐蚀吸氢都将导致包壳的力学性能下降。因此,提高包壳材料的耐腐蚀性能是首要任务。目前改善包壳的水侧耐蚀性能主要途径有:成分调整、组织控制和表面处理。本文通过对表面纳米组织以及普通粗晶组织Zr-4合金在高压釜中673k/10.3MPa条件下进行腐蚀试验,并对基体以及不同腐蚀时间的氧化膜进行透射电镜、扫描电镜以及X射线衍射观察与分析,主要得出以下结论:1、经高速喷丸处理后的Zr-4合金,通过TEM观察研究可知其平均晶粒尺寸随深度呈梯度变化。所得到的样品按平均晶粒尺寸的大小可分为三层:表层是平均晶粒尺寸为几纳米至十几纳米纳米组织结构比较致密和完整的的纳米层,其次为晶粒尺寸为几百纳米的过渡层,最后是靠近心部的组织仍保留原来粗晶组织结构的基体层。2、高压喷丸技术使Zr-4合金表面自纳米化的晶粒细化机理是:在不断加载的情况下,不同取向的孪晶之间的相互交截作用以及高密度位错的运动是导致晶粒细化并获得纳米晶体的主要原因。3、42天腐蚀试验后的TEM观察表明,普通粗晶Zr-4合金中ω-Zr层处的腐蚀程度比较严重,而纳米组织Zr-4合金中ω-Zr层处的腐蚀情况比较轻微,只有晶界附近被氧化。4、表面纳米化Zr-4合金的腐蚀幂函数n值比普通Zr-4合金的n值小,说明纳米组织Zr-4合金的腐蚀产物更具有保护性,其抗腐蚀性能优于普通Zr-4合金。5、表面纳米组织Zr-4合金的腐蚀速率转变时间为100天,而普通粗晶Zr-4合金的转变时间为42天左右,这表明纳米化Zr-4合金的腐蚀产物更具有保护性。6、利用X射线衍射（XRD）方法计算分析氧化膜内的应力大小得出表面纳米化Zr-4合金氧化膜内存在较大微观应力,而高的压应力有利于t-ZrO2相的稳定,延缓相变的进行,从而降低腐蚀速率。实验数据表明,纳米组织Zr-4合金的腐蚀性能比粗晶组织Zr-4合金又更加优异的抗腐蚀性能。但是,影响表面纳米化Zr-4合金的腐蚀性能的因素不仅仅包括晶粒尺度,还包括合金成分、热处理工艺方法、表面状态、反应堆水化学、水冷却剂温度、辐照效应等等。而上述因素中的任何一个因素发生变化,都会导致材料腐蚀性能的改变。因此应全方位综合考虑这些因素的影响,从而全面认识锆合金的腐蚀性能与机制。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 锆合金的概述
• 1.1.1 锆合金的物理化学性能
• 1.1.2 国内外核用锆合金的发展与应用
• 1.2 锆合金腐蚀性能的影响因素
• 1.2.1 合金元素因素
• 1.2.2 温度的因素
• 1.2.3 压力
• 1.2.4 水化学条件
• 1.2.5 热处理的影响
• 1.3 纳米材料的性能、应用与发展
• 1.3.1 纳米材料的性能
• 1.3.2 纳米材料的发展概况
• 1.3.3 表面纳米化处理的技术
• 1.4 表面纳米化对腐蚀性能的影响
• 1.5 本文研究的目的以及意义
• 1.6 课题的研究方法、技术路线、实验方案
• 第二章 Zr-4合金表面变形纳米结构TEM研究
• 2.1 前言
• 2.2 实验方法与材料
• 2.3 实验结果与讨论
• 2.4 本章小结
• 第三章 纳米化Zr-4合金氧化膜的TEM研究
• 3.1 前言
• 3.2 实验材料与方法
• 3.3 实验结果与分析
• 3.3.1 腐蚀42天氧化膜的微观组织
• 3.3.2 腐蚀70天氧化膜的微观组织
• 3.3.3 腐蚀130天氧化膜的微观组织
• 3.4 本章小结
• 第四章 纳米化Zr-4合金腐蚀机理的分形分析
• 4.1 前言
• 4.2 实验材料与方法
• 4.3 Zr-4合金腐蚀分形分维计算
• 4.4 实验结果与讨论
• 4.4.1 对Zr-4合金保护性能的评介
• 4.4.2 腐蚀机理的分形研究方法
• 4.5 本章小结
• 第五章 纳米组织Zr-4合金氧化膜中应力应变研究
• 5.1 前言
• 5.2 锆合金腐蚀过程中产生的应力及其对腐蚀性能的影响
• 5.2.1 氧化产物和金属基体体积变化（PBR比）引起的应力变化
• 5.2.2 t→m相变时的应力状态
• 5.2.3 第二相沉淀对应力的影响
• 5.2.4 晶粒尺寸效应对应力的影响
• 5.3 实验材料与方法
• 5.4 实验结果与讨论
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论
• 6.1 本文总结
• 6.2 有待解决的问题
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文