采用Nb中间层扩散连接Zr-4合金接头界面组织与性能

为提高Zr-4合金扩散焊接头强度,降低有效连接温度,采用不同厚度的Nb中间层在760℃/30 min/7 MPa条件下扩散连接Zr-4合金,分析了Nb中间层的加入及其厚度对接头界面组织和性能的影响.结果表明,在扩散连接过程中,界面处Zr和Nb原子相互扩散形成由(Zr,Nb)固溶体构成的扩散层,且扩散层厚度随着中间层厚度的增加基本不变,靠近Nb侧的扩散层中观察到Zr(Cr,Fe)_(2)和Zr(Fe,Nb)_(2)第二相的生成.在760℃条件下,Zr-4合金直接扩散焊接头抗拉强度仅为75MPa,存在大量未连接区域,添加Nb中间层可显著提高界面结合率,接头抗拉强度达到450 MPa,接头抗拉强度和断后伸长率随着Nb中间层厚度的增加稍有下降,在添加20μm中间层时最大,分别为450 MPa和13.1%,且断裂位置由Zr-4合金基体(20μm)转变为界面扩散层(50μm和80μm).Zr-4合金扩散焊接头在经历400℃,10.3 MPa的过热蒸气腐蚀后,扩散层发生明显腐蚀现象,腐蚀深度最大达到108.39μm,接头抗拉强度和断后伸长率下降至415 MPa和5.1%,断裂位置在连接界面处,断口中发现Zr(Fe,Nb)_(2)相.

Cr涂层对Zr-4合金蠕变行为的影响

报道化学气相沉积Cr涂层对Zr-4合金蠕变性能的影响以及Cr涂层在服役温度下的热稳定性。利用扫描电镜、电子探针显微分析和电子背散射衍射研究样品的显微组织。结果表明:样品Zr-4基体中晶粒呈等轴状,存在明显的<0001>//ND织构。蠕变后涂层样品的Zr-4合金基体中亚晶界数量明显低于无涂层样品Zr-4合金基体中亚晶界数量,表明Cr涂层显著降低了Zr-4合金基体在蠕变过程中承载的应力,提高了合金的抗蠕变性能。Cr涂层在长时间扩散实验中保持高稳定性。涂层在高蠕变应力下(350℃时不小于157 MPa,400℃时不小于137 MPa)出现裂纹。系统总结蠕变断裂的数据,得到了关于稳态蠕变速率与蠕变断裂时间的Monkman-Grant关系式。

Mg-9Gd-4Y-2Zn-0.5Zr合金连续降温压缩扭转组织演变

采用Gleeble-3500热力拟试验机对Mg-9Gd-4Y-2Zn-0.5Zr合金棒材进行了热压缩扭转实验,变形过程中采用连续降温,温度范围为420~480℃,降温速率为10℃·s^(-1)。分析了变形后试样微观组织的演化规律。结果表明,形成了梯度组织;随棒状试样半径的增加,晶粒尺寸、LPSO相尺寸及ED//<0001>织构强度均减小。晶内LPSO相发生了机械破碎和扭折;块状LPSO相发生溶解,形成条纹状结构,部分条纹状结构在外力条件下发生扭折。变形过程中主要发生了连续动态再结晶及LPSO相激发的再结晶。连续降温有利于再结晶形核,产生大量细小的动态再结晶晶粒,抑制了再结晶晶粒长大和ED//<0001>织构强度增加。

联合添加微量Sc、Zr元素对B4C/7075Al复合材料力学性能和腐蚀行为的影响

限制高强度B4C/Al复合材料工程应用的关键为腐蚀问题,添加微量合金元素是提高其耐蚀性的有效措施。采用压力浸渗法制备了B4C/7075和添加微量Sc、Zr元素的B4C/7075-0.15Sc-0.35Zr复合材料,利用扫描电镜、透射电镜、弯曲性能测试、拉伸性能测试、中性盐雾试验和电化学测试对比研究了联合添加Sc和Zr元素对B4C/7075Al复合材料的显微组织、力学性能和腐蚀行为的影响。结果表明:添加Sc和Zr元素后,复合材料的抗弯曲强度和抗拉强度升高,腐蚀速率降低,腐蚀电流密度(Jcorr)下降,耐蚀性增强,这是因为添加Sc和Zr元素后,复合材料的晶界析出相细小且不连续分布,无析出带(PFZ)消失。

第二相体积分数对Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr合金力学性能的影响

采用万能拉伸试验机、SEM、EDS及XRD对固溶处理后的Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr合金力学性能、第二相形态、化学成分进行了分析,并利用Image-Pro-Plus软件对第二相体积分数进行了统计。结果表明:固溶处理后,合金中仍有大量不同形态、成分的第二相,主要是灰色块状LPSO相、灰色棒状LPSO相和白色点状富稀土相。随着固溶时间的增加,Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr合金的抗拉强度与伸长率表现出先降低后升高的变化规律。在510℃固溶16 h,合金的抗拉强度与伸长率达到最小值,分别为196.77 MPa、3.8%。510℃固溶10~16 h,LPSO相体积分数不变,富稀土相体积分数增加,富稀土相质地较脆,受力时容易破碎,成为裂纹萌发和扩展的源头,使合金抗拉强度、伸长率均降低。510℃固溶16~19 h,富稀土相体积分数减少,合金的力学性能增加。

Al/Zr/KClO_(4)点火药的低湿热老化机制

为了研究铝粉/锆粉/高氯酸钾(Al/Zr/KClO_(4))点火药的低湿热老化机制,将Al/Zr/KClO_(4)点火药在85,71,60℃和50℃下分别进行加速老化,利用热分析技术、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电镜-X射线能谱(SEM-EDS)分析了低湿条件下Al/Zr/KClO_(4)点火药热分解性能和表面元素与形貌随着温度和时间的变化。结果表明,在加速老化时,随着老化时间的增加,KClO_(4)晶体表面部分分子降解生成KClO_(3)和KCl,Zr表面在热的作用下进一步氧化生成ZrO_(2),Al未见明显变化,同时,各组分表面形貌未发生变化。Al/Zr/KClO_(4)点火药热分解活化能和热焓值随着老化时间的增加呈现下降趋势,与未老化的点火药相比,85℃老化160 d活化能降低了29.57 kJ·mol^(-1),热焓值降低了160 J·g^(-1)。以反应速率、热焓值、各组分表面元素参量拟合获得了点火药老化机理函数,发现反应速率、Zr的氧化和KClO_(4)降解能反映出点火药低湿热老化时的时间和温度效应。老化机理函数为n级反应,老化过程为Zr的氧化和KClO_(4)降解,Zr的氧化速率和程度大于KClO_(4)降解,老化活化能在95.86~128.90 kJ·mol^(-1)。

(Zr,Ti)O_(4)基微波薄膜介质基片制备关键工艺研究

素坯成型工艺对微波陶瓷材料在微波薄膜介质基片产品中的工程化应用具有关键影响。目前关于(Zr,Ti)O_(4)主晶相系统微波介质陶瓷材料的研究主要集中在降低(Zr,Ti)O_(4)陶瓷烧结温度、掺杂改性优化其介电性能、Q×f值(品质因数与频率的乘积)等配方优化方面。本文以(Zr,Ti)-O4基微波陶瓷材料为原材料,通过研究中介微波薄膜介质基片关键成型工艺对其物相结构、微观形貌和介电性能的影响,发现不同素坯成型工艺方式对(Zr,Ti)O_(4)基陶瓷的致密度、介质损耗值、Q×f值等影响显著。采用方式四进行薄膜介质基片的制备,获得的(Zr,Ti)O_(4)基薄膜介质基片致密度较高,气孔率低,陶瓷材料的介质损耗低至1.1×10^(-4),15 GHz下Q×f值高达50000。本文通过对不同素坯成型方式的研究,以期为(Zr,Ti)O_(4)基微波陶瓷材料薄膜介质基片的工程化应用提供理论支撑。

Zr-4合金表面Cr涂层长期水腐蚀行为研究

采用等离子增强物理气相复合沉积技术在Zr-4合金包壳管材外表面制备Cr涂层,在360℃水中采用高温高压釜对Cr涂层Zr-4合金开展300天的长期耐腐蚀性能研究。研究结果表明:Cr涂层致密且与基体结合良好,涂层内无裂纹、孔洞等缺陷;经300天腐蚀后,对比试样Zr-4表面生成约6μm氧化层,而Cr涂层管材表面生成的纳米级超薄Cr2O3钝化层可阻碍O原子向基体扩散,大幅度提升了锆合金包壳材料的耐腐蚀性能。同时,Cr在中性氧化性水质中将以HCrO4-离子的形式释放于水中,腐蚀300天后,Cr涂层厚度由原来的15μm减薄为6.2μm;半涂层Zr-4管材腐蚀300天后,涂层区与非涂层区界面处生成的ZrO2氧化层厚度约为6.1μm,与对比试样Zr-4管材生成的氧化层厚度相当,Cr和基体Zr-4之间不存在电化学加速腐蚀;Cr涂层试样的腐蚀吸氢约为对比试样Zr-4的1/2,Cr涂层包壳中氢化物的析出明显减少,有利于包壳性能提升。

Zr/EMs(DAP-4、AP、CL-20、HMX)的热分解及燃烧性能

为了探索金属锆粉(Zr)与高能氧化剂复合体系的热分解以及燃烧性能,以4种含能材料(EMs)AP、CL-20、HMX、DAP-4及其Zr/EMs样品为主体,采用差示扫描量热分析、全自动量热法和自主搭建的燃烧实验系统,对样品的热分解行为、燃烧热及点火燃烧过程进行对比分析,收集部分燃烧产物进行表征;分析了Zr/DAP-4的燃烧机理。结果表明,DAP-4的耐热性能、燃烧热释放等均优于其他EMs样品;添加Zr后样品的燃烧热更高,E a更低且热分解温度保持在373.8℃,燃烧性能优于纯DAP-4。相比于Zr/CL-20和Zr/HMX的热分解,Zr/DAP-4的起始分解温度和峰温更高,表观活化能E a更低,仅为138.7 kJ/mol,燃烧热高达17134 J/g。从燃烧动态可知,Zr/DAP-4的全过程燃烧仅需要170 ms,反应迅速且剧烈,其火焰强度优于其他3种样品。燃烧产物分析表明,Zr/DAP-4燃烧生成了ZrO 2等固体和H 2O、HCl等气体产物。综合分析,Zr/DAP-4具有更高的能量特性和更好的燃烧性能,在未来推进剂配方设计中有很大的应用潜能。

大豆油制生物柴油固体酸Zr(SO_(4))2/Al_(2)O_(3)催化剂的制备与表征

采用浸渍法制备了固体酸催化剂Zr(SO_(4))_(2)/Al_(2)O_(3),考察了催化剂的制备条件和酯化反应条件对生物柴油产率的影响,并采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和比表面积(BET)和热重分析(TG-DTA)等手段对催化剂进行了表征。结果表明,活性组分均匀分散在载体的表面,催化剂表现出较高的催化活性;在Zr(SO_(4))_(2)的负载量(占催化剂的质量)为30%、焙烧温度为350℃,(甲)醇(大豆)油物质的量比为9∶1、催化剂用量为大豆油质量的4%时,生物柴油的产率最高为92.40%,且催化剂循环使用6次后,生物柴油的产率仍保持在90%以上。

Zr/KClO_4激光点火延迟时间与装药密度的关系

采用光纤插入式激光点火器测定了Zr/KClO4点火药的装药密度和压药压力的关系及激光点火延迟时间和装药密度的关系，得出在压药压力5-130 MPa范围，对应的装药密度变化为0.94-1.39 g·cm^-3；在密度1.0-1.38 g·cm^-3范围，对应的点火延迟时间变化为2.83-0.54 ms。在装药密度≤1.25 g·cm^-3时，点火延迟时间随密度变化较快，装药密度≥1.30 g·cm^-3时，点火延迟时间随密度增加趋于稳定，最短点火延迟时间约为0.54 ms。在装药密度较低时，如低于1.07 g·cm^-3，对应压药压力低于30 MPa，实验数据散布较大。

Co/MOF-808(Zr)复合材料的制备及其对有机磷化合物的降解性能

为了解决普通单金属MOFs材料几乎不能直接将双(4-硝基苯)磷酸酯(BNPP)直接降解为毒性更低的对氨基苯酚(4-AP)的问题,通过油浴法制备出MOF-808(Zr)后,采用后修饰法将草酸钴负载于MOF-808(Zr)上,制备出Co/MOF-808(Zr)复合材料,并对所制材料进行XRD和TEM表征。结果表明:MOF-808(Zr)具有高晶体结构稳定性,Co/MOF-808(Zr)的粒径在250 nm左右且分布均匀;Co/MOF-808(Zr)通过级联反应成功将有机磷神经毒剂模拟物BNPP直接降解为毒性更低的4-AP,而非一般的毒性较高的降解产物对硝基苯酚(4-NP)。其最佳级联降解反应条件为:温度45℃,Co/MOF-808(Zr)剂量为2 mg/mL,底物BNPP为0.6 mmol/L,硼氢化钠0.06 mmol/L。实践得出,Co/MOF-808(Zr)在将有机磷化合物直接降解为毒性更低的4-AP方面表现出良好的应用潜力。

碳纳米管对Zr/KClO_4烟火剂的热行为和光辐射性能的影响

为了提高烟火固体激光器泵浦源Zr/KClO4的泵浦效率,在烟火剂Zr/KClO4中引入具有催化性能、高比表面积、强吸附能力、高强度的碳纳米管(CNTs),借助差热分析技术和光电探测技术研究了碳纳米管对泵浦源用烟火剂Zr/KClO4(60/40)的热分解和光辐射性能的影响。结果表明:CNTs的加入对Zr/KClO4的热分解特性和光辐射能均有显著的影响。随着CNTs添加量的增加,烟火剂的燃烧速率和放热量均逐渐增加,药剂的融化吸热峰减弱,甚至趋于消失,药剂的光辐射能量却呈现出先增加后降低的趋势。当CNTs含量为体系总质量的0.50%时,药剂总光辐射能达到了1830 J·g-1,其中分布在钕(Nd):钇铝石榴石(YAG)激光增益介质的三个强吸收带(590±10)nm,(750±10)nm和(808±10)nm内的有效光辐射能分别提高了41%,25%和31%。

温度对不同运行工况下Zr-4锆合金微动磨损行为的影响

采用高温微动磨损试验机对Zr-4合金管进行切向微动磨损试验,通过改变法向载荷研究了试验温度(25,100,200,325℃)对不同运行工况(完全滑移区和部分滑移区)下微动磨损行为的影响。结果表明:在相同试验温度下完全滑移区的摩擦因数高于部分滑移区,不同运行工况下200,325℃时的摩擦因数更早达到稳定状态。在完全滑移区,合金的磨损机制包括磨粒磨损、氧化磨损和剥层,温度的升高对合金微动磨损程度的影响较大,325℃时的微动磨损程度最大;而在部分滑移区,磨损机制包括剥层、黏着磨损和氧化磨损,试验温度的升高对微动磨损程度的影响很小。在相同试验温度下,部分滑移区的微动磨损量远低于完全滑移区;试验温度的升高对完全滑移区微动磨损量的影响较明显,而对部分滑移区的影响不大。

四硼酸锂电解液浓度对Zr-4合金微弧氧化陶瓷层的影响

为了提高Zr-4合金在核工业中的服役性能并避免引入杂质元素,以Li_(2)B_(4)O_(7)为电解液在Zr-4合金表面制备微弧氧化陶瓷层,研究了Li_(2)B_(4)O_(7)浓度对微弧氧化陶瓷层的物相组成、微观形貌、膜层厚度、硬度、粗糙度、耐磨损和耐腐蚀性能的影响。结果表明:当ρ(Li_(2)B_(4)O_(7))=3~15 g/L时,随着Li_(2)B_(4)O_(7)浓度的增加,电解液的电导率持续增加,陶瓷层的粗糙度总体持续增加,只在电解液浓度从6 g/L变化到9 g/L时稍有下降,微弧氧化陶瓷层厚度先在ρ(Li_(2)B_(4)O_(7))=3~9 g/L范围内持续下降,后在ρ(Li_(2)B_(4)O_(7))=9~15 g/L范围内上升;陶瓷层的硬度先是在ρ(Li_(2)B_(4)O_(7))=3~6 g/L范围内下降,后在ρ(Li_(2)B_(4)O_(7))=6~15 g/L范围内上升。陶瓷层全部由单斜相氧化锆(m-ZrO_(2))构成。随着电解液中Li_(2)B_(4)O_(7)浓度的增加,陶瓷层的孔隙率下降,微孔尺寸变化不大,陶瓷层的摩擦系数在ρ(Li_(2)B_(4)O_(7))=3~12 g/L范围内持续增加,在ρ(Li_(2)B_(4)O_(7))=15 g/L时下降。综合比较,在Li_(2)B_(4)O_(7)浓度为15 g/L的电解液中可以获得厚度适中、硬度较好、表面平整连续、孔隙率和孔径尺寸均较小、耐磨损和耐腐蚀性能均较好的陶瓷层。

Zr-4合金高温水蒸气氧化行为研究

Zr-4合金主要用于制备核反应堆燃料组件中的包壳管和定位隔架。锆(Zr)合金长期服役于高温环境中,表面会发生腐蚀,影响包壳管的安全性能。在高温水蒸气环境中进行氧化腐蚀试验,在不同温度下,拟合Zr-4合金的氧化动力学曲线、研究宏观形貌和微观组织的演变规律。结果表明,随着氧化温度升高,氧化速率增大,在2500 s时出现转折。当温度为1000~1050℃时,Zr-4合金氧化动力学的增重曲线服从直线规律;当温度为1050~1250℃时,曲线服从抛物线规律。Zr-4合金在高温水蒸气环境下,氧化层厚度随着氧化温度的升高而增加,当氧化时间为2500 s时,氧化层厚度由94.78μm增至121.19μm;氧化温度越高、时间越长,ZrO2层裂纹和孔洞越明显,Zr-4合金腐蚀越严重;当温度为1250℃时、氧化时间为5000 s时,Zr-4合金已经失效。

Zr含量对Mg-4Zn-xZr合金显微组织及阻尼性能的影响

目的为探究Zr含量变化对铸态Mg-4Zn-xZr(x=0.3,0.6,0.9,x表示质量分数,%)合金显微组织、力学性能和阻尼性能的影响。方法通过扫描电镜(SEM)分析其显微组织变化,动态热分析仪(DMA)探究其高温及常温阻尼性能,X射线衍射仪(XRD)分析其物相,电子万能试验机进行力学性能测试。结果Zr的质量分数由0.3%增至0.9%时,Mg-4Zn-xZr合金的平均晶粒尺寸分别为121、108、83μm,第二相分别为岛屿状的MgZn、长条状的MgZn_(2)和细小颗粒状的Mg7Zn3。在低温区,3种合金均存在阻尼峰P1,临界应变振幅点ε0.1的阻尼值Q-1分别为0.061、0.044和0.023;在高温区,存在阻尼峰P2。随着Zr含量的增加,Mg-4Zn-xZr合金的抗拉强度由182 MPa提升至207 MPa,伸长率由15%下降至10.1%。结论随着Zr含量的增加,合金中产生新的形核中心,晶粒发生细化,晶粒低位错储存能力提高,抗拉强度上升,塑性和阻尼性能下降。低温区P1峰为晶界阻尼峰,具有热激活弛豫特征;高温区P2峰为晶界型阻尼峰和微塑性型阻尼峰的叠加。

Cr涂层Zr-4合金包壳的高温空气氧化/扩散行为

目的在Zr合金包壳表面制备Cr涂层,以提高Zr合金包壳在事故环境下的抗高温氧化性能。方法采用多弧离子镀技术在Zr-4合金包壳上制备约17μm的Cr涂层,通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能量色散光谱(EDS)和电子探针(EPMA)等方法,分析试样氧化前后的相组成、微观形貌和扩散行为,并评估试样在1100、1200、1300℃空气环境中氧化后的高温氧化性能。结果沉积态Cr涂层显微结构致密均匀,(110)面有很强的织构。Cr涂层在高温空气中氧化60 min后,保持了涂层结构完整性。氧化后的Cr涂层Zr合金系统均为多层结构,包括外部Cr_(2)O_(3)层、中间Cr涂层、内部Cr-Zr扩散层和Zr合金基体。在涂层/基体界面上形成了具有Laves相的金属间ZrCr_(2)扩散层,ZrCr_(2)层下方的区域出现了大量分散的沉淀相。在Cr-Zr中间层和Zr合金界面处的不对称原子扩散导致Kirkendall空位生成,空位的聚集和合并导致空穴的形核和生长。结论Cr涂层表面形成了致密的Cr_(2)O_(3)层,提高了Zr-4合金的抗高温氧化性能。通过研究高温空气中Cr涂层Zr-4合金包壳材料的高温空气氧化/扩散行为,可为耐事故涂层的开发、制备和应用提供一定的理论指导和技术支持。

挤压比对Mg-9Gd-4Y-2Zn-0.5Zr合金组织和力学性能影响

对Mg-9Gd-4Y-2Zn-0.5Zr合金进行了不同挤压比的挤压试验,采用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、拉伸试验研究了不同挤压比对合金组织与力学性能的影响。结果表明:均匀化态试验合金组织主要由α-Mg基体、层状LPSO相及少量块状LPSO相构成。随着挤压比的增加,合金再结晶程度越来越高,层状LPSO相逐渐减少。与均匀化态试验合金相比,挤压态合金的强度及伸长率均有明显提高。随着挤压比的增加,试验合金的强度有小幅提升,伸长率显著提高。挤压比为42的Mg-9Gd-4Y-2Zn-0.5Z合金的抗拉强度、屈服强度及伸长率均达到最大值,分别为407、332MPa和12.2%。

均匀化退火处理对Mg-10Gd-4Y-1Zn-0.5Zr合金微观组织的影响

均匀化退火处理对Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金的微观组织具有重要影响,特别是LPSO结构的演变对于稀土镁合金的推广应用具有重要的作用。为研究均匀化退火处理对Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金组织演变的影响,采用氩气保护真空电阻炉熔铸Mg-10Gd-4Y-1Zn-0.5Zr(质量分数,%)铸棒,随后进行均匀化退火处理,并采用光学、扫描电子及透射电子显微镜对铸态和均匀化退火态试样进行显微组织分析。结果显示,铸造态试样由少量随机散布的孤岛状Mg5.05(Gd,Y,Zn)微粒相、粗大块状Mg10(Gd,Y)Zn共晶相、少量Mg-RE微粒相及大量粗壮基体α-Mg组成,平均晶粒尺寸为91.2μm;均匀化退火态合金由基体α-Mg和Mg12(Gd,Y)Zn及Mg-RE等第二相组成,平均晶粒尺寸为142.1μm。相较铸态,均匀化退火态晶粒发生显著生长,晶界处粗大的块状Mg5(Gd,Y,Zn)共晶相和18R-LPSO结构转变为晶粒内部细小层片状14H-LPSO结构,基体中的LPSO结构数量增多,形貌由粗大块状演变为密集细小的层片状,且未有高密度位错和第二相,表明均匀化退火过程有效促进了合金的软化,对后续塑性加工的进行有重要作用。