TP347H钢高温水蒸气氧化研究

研究了在600MW超临界机组屏式过热器TP347H管运行5000h后的高温蒸气氧化层。通过分析蒸气氧化层成分、相结构以及Cr的分布,并结合高温水蒸气存在的情况下氧化膜生长速度,提出了高温蒸气氧化层的形成机理。由Cr的扩散探讨了晶粒尺寸对TP347H管抗高温蒸气氧化性能的影响。结果表明:CrO2(OH)2的挥发导致了外层Fe的氧化物的形成,FeCr2O4内层的形成能够有效减缓蒸气氧化进程,进入稳态氧化阶段后氧化层厚度将保持不变;同时,随晶粒尺寸的减小TP347H的抗蒸气氧化性能提高。

晶粒度对P91钢水蒸气氧化性能的影响

在自制的水蒸气氧化装置中,对两种具有不同金相组织的P91钢进行了水蒸气等温氧化试验,结果表明,氧化动力学曲线具有抛物线特征.在650℃和300 h的氧化试验后,粗晶粒P91钢的氧化增重明显高于细晶粒钢.对表面氧化膜进行了形貌观察、能谱分析和X射线衍射试验.讨论了晶粒度对P91钢水蒸气氧化性能的影响.

喷丸处理提高TP304H耐热钢锅炉管抗水蒸气氧化性能应用效果的观察

对TP30 4H(0Cr19Ni9)耐热不锈钢采用喷丸处理工艺进行表面处理 ,连同未处理管同时安装在 10 0 0t/h电站锅炉的屏式再热器上 ,实际运行 75 5 2h后取样分析管子内壁高温水蒸气氧化情况 .观察结果表明 ,喷丸处理减小了内氧化倾向 ,合金元素Cr在表层区域富集 ,氧化膜层的物相构成由Fe的氧化物转变为以Cr氧化物为主的形态 ,氧化膜更为致密 ,有效提高了耐热钢的抗水蒸汽氧化性能 .文中分析了喷丸对氧化机理的影响 ,并讨论了喷丸处理工艺对氧化过程中扩散机理的影响以及氧化膜物相组成的变化 .

喷丸与电泳沉积稀土薄膜复合处理提高T91钢抗水蒸气氧化性能的研究

采用喷丸与电泳沉积稀土薄膜复合处理工艺对T91钢进行表面处理 .在管式高温水蒸气氧化实验装置中 ,以 6 0 0℃脱氧水蒸气氧化 30 0h的试验条件评价其抗水蒸汽氧化性能 .结果表明 ,该处理方法可以减小氧化抛物线速度常数 ,有效改善抗氧化性能 ,较单一沉积稀土薄膜效果更为显著 .与原材料相比 ,氧化物晶粒直径可由 3～ 5 μm细化至约 0 .5 μm .分析了喷丸与沉积稀土薄膜对氧化机理的影响 ,并讨论了复合处理工艺对氧化过程中扩散机理的影响以及氧化膜物相组成的变化 .

铋蒸气氧化法制备氧化铋纳米粉体的研究

用金属蒸气氧化法制备纳米氧化锌已较成熟,但用此方法制备氧化铋时,由于熔体优先氧化,致使无法得到氧化铋粉体。在1 140℃以下,通过加入助剂,使铋固体蒸发、气相氧化,制备了氧化铋粉体。用XRD对所得粉体进行了物相分析,粉体为纯-βBi2O3。晶粒平均大小通过测定X-衍射线变宽效应,利用谢乐尔公式进行计算得平均粒径为33.7nm。用SEM对粉体的形貌进行了观察:粉体为球形,大小均匀。助剂对铋蒸发过程的影响实验表明:助剂的加入能使蒸发速度明显加快。

蒸气氧化法制备掺锑氧化锌纳米颗粒的研究

以不同摩尔比的Zn～Sb合金为原料,采用加热蒸发氧化-冷凝的方法在相同的试验条件下获得了纯的和Sb掺杂的ZnO纳米颗粒.纳米颗粒的形貌、结构和化学状态分别通过TEM、HRTEM、XRD和XPS进行了表征.通过TEM观察发现:随原料中Sb量的增加,颗粒形貌由纯ZnO的四针状纳米晶须逐渐变化为棒状、四方形和六方形的颗粒状.六方形纳米颗粒的HRTEM分析表明:颗粒是结晶完好的纤锌矿结构的单晶,(1100)晶面间距比文献报道的纯ZnO的数值大.XRD没有检测到Sb掺杂ZnO纳米颗粒除ZnO外的其它物相,但XPS分析确定了Sb元素存在于纳米颗粒中.讨论了四针状纳米ZnO的形成及Sb的存在对颗粒形态的影响.

锆-4合金高温高压水蒸气氧化行为

利用不连续称重法测定锆-4合金于330,400和500℃高温高压水蒸气氧化动力学曲线,并对氧化膜成分和物相进行分析。研究结果表明:实验温度下氧化动力学曲线符合yn=Kt+C的抛物线规律;氧化膜在沟壑位置形核逐渐覆盖表面,第2层氧化膜以片状开始出现;氧化物主要是t-ZrO2和m-ZrO22种,低温时由于氧原子供应不足导致金属原子富余氧原子缺失的氧化物出现。

Zr-Nb-Cu合金的水蒸气氧化行为研究

研究了Zr-Nb-Cu合金在非等温和等温条件下的水蒸气氧化行为。结果表明,在非等温阶段,升温速度越高,合金的氧化质量增加越低,但在随后的等温阶段氧化质量增加越高。根据非等温阶段合金水蒸气氧化质量增加曲线,获得了氧化激活能与氧化质量增加之间的关系。另外,非等温阶段升温速度越大,氧化膜表面开裂现象越明显。

锆合金表面镀Cr/TiAlN涂层的抗高温水蒸气氧化性能研究

利用多弧离子镀技术在Zr-4合金表面制备了Cr+TiAlN复合涂层。采用多种分析手段研究了涂层在1200℃高温水蒸气环境下的抗氧化性能。利用X射线衍射分析涂层的物相成分;利用扫描电镜观察涂层表面的微观形貌;利用能谱对涂层元素种类与含量进行分析;采用自动划痕仪对涂层的力学性能进行检测。结果表明:多弧离子镀膜层表面均匀平整、致密度大,但存在一定数量的微孔洞及大颗粒。镀有Cr/TiAlN涂层试样的氧化速率远低于原始锆合金的氧化速率,抗高温水蒸气氧化性能优于原始Zr-4合金,且单位面积的氧化增重量仅为原始Zr-4合金的36%。划痕实验结果表明,膜基结合力为26 N,膜基结合性能良好。

磁控溅射镀CrAlSiN涂层的抗高温水蒸气氧化性能

目的提高锆合金包壳管的事故容错能力。方法采用磁控溅射法,在锆基底上沉积CrAlSi和CrAlSiN两种涂层,表征了涂层的结构形貌、机械性能和抗高温水蒸气氧化行为等。结果CrAlSi涂层呈致密的柱状晶结构。CrAlSiN涂层结构致密,晶粒尺寸小,接近非晶质地。CrAlSiN涂层与Zr基底之间的结合力(~46 N)高于CrAlSi涂层与Zr基底之间的结合力(~27 N),2种涂层的硬度大约为Zr基底硬度的3~4倍,表现出良好的机械性能。同时,这2种涂层均较大幅度提高Zr基底的抗高温水蒸气氧化能力。经1000℃水蒸气氧化15 min后,4.3μm厚的CrAlSi涂层使Zr(O)层的厚度减少了~67%,而4.6μm厚的CrAlSiN涂层则抑制了Zr(O)层的形成。14μm厚的CrAlSiN涂层使Zr基底在1200℃高温水蒸气中保持未氧化状态大于60 min。结论磁控溅射制备的CrAlSi涂层和CrAlSiN涂层均能有效地抑制Zr合金的高温水蒸气氧化,且后者的防护效果更佳。

锆合金表面Mo/Al/Cr复合涂层的抗高温水蒸气氧化性能

锆合金是重要的核燃料包壳材料,在包壳表面沉积抗高温水蒸气氧化涂层是在失水事故中避免核泄漏的有效途径,然而涂层在高温氧化过程中存在氧化产物不稳定及界面扩散问题。用磁控溅射的方法在Zr-4合金表面沉积Mo/Al/Cr复合涂层,拟利用Al层生成氧化铝提升抗氧化温度上限,利用Mo层阻挡Al与Zr-4基体的扩散。用SEM表征涂层的表面及横截面形貌,利用XRD分析涂层物相结构,用纳米压痕的方法评价涂层的力学性能,用管式炉连接水蒸气发生器来评价涂层的抗高温水蒸气氧化性能。结果表明:在锆合金表面制备的Mo/Al/Cr复合涂层与基体结合良好,结构完整,界面清晰,硬度高于Zr-4合金基体。在高温水蒸气氧化试验中,复合涂层中的Al会发生熔融,导致涂层结构的破坏而不能生成连续致密氧化铝膜。在Cr层、Al层失效的情况下,Mo层可以有效阻挡Al及O元素向基体内部扩散。探讨了Al作为抗氧化层及Mo作为扩散阻挡层的可行性,试验结果可为核燃料包壳涂层的设计选材提供借鉴和支撑。

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。

喷丸处理对S31035奥氏体耐热钢抗高温水蒸气氧化行为的影响

对S31035钢进行喷丸处理,再在665℃下进行高温蒸汽氧化试验,研究了喷丸处理对该钢抗高温水蒸气氧化行为的影响。结果表明:未喷丸试样在氧化100 h后即出现明显的氧化物衍射峰,氧化3000 h后形成双氧化物层,氧化膜厚度约为8.07μm;喷丸试样在氧化1000 h后才出现微弱的(Fe,Cr)_(2)O_(3)衍射峰,在氧化3000 h后表面氧化膜仍然较薄,厚度仅为0.45μm;在氧化过程中,喷丸试样的氧化速率常数比未喷丸试样低3个数量级,抗水蒸气氧化性能较好;喷丸处理细化了表层晶粒,为铬元素扩散提供了更多通道,使表面形成Cr_(2)O_(3)保护膜而提高了该钢的抗高温水蒸气氧化性能。

620℃下TP347H钢水蒸气氧化金相分析

文章模拟TP347H钢锅炉的工作环境,对TP347H钢在620℃高温水蒸气下氧化行为进行研究,进行时间为100 h,试验完成后,利用电镜扫描观察氧化后试样的表面形貌和断口形貌。结果表明:试样的氧化现象不明显,说明TP347H钢的抗氧化性能比较好。试样表面出现氧化物颗粒,晶粒的长大不明显,只是在氧化层的表面生成少量的晶须,并有晶须折断。

600 MW超超临界机组S30432钢内壁氧化膜变化规律及水蒸气氧化动力学

通过SEM对某600 MW超超临界机组运行80000 h后的S30432钢高温再热器管内壁氧化膜进行氧化膜形貌和膜层结构分析,再用EDS、XRD对氧化物中成分测定,并分析氧化膜形成.依据氧化膜厚度评估其脱落风险.测定在640、670、700℃下S30432钢水蒸气的氧化膜厚度和时间的动力学曲线,确定炉管的运行温度和对氧化的影响.结果表明:氧化膜在形成和变化中,存在晶粒变化和成分变化.晶粒变化主要是由融合状的纳米级晶粒长大为颗粒状或碗状微米级晶粒,由表及里,晶粒越来越细小.依氧化膜厚度推算的运行温度为670℃,处于超温运行状态;S30432钢产生氧化膜脱落的厚度为39.81μm,初生氧化膜厚度远大于39.81μm,处于随时脱落状态,再运行8552 h后次生氧化膜会达到脱落阈值厚度,管内存在氧化膜大量脱落并堵塞弯管引起爆管的巨大风险.

FeCrAl合金中高温水蒸气氧化增重模型研究

通过预测FeCrAl合金在不同温度下的水蒸气氧化行为,从而为反应堆失水事故(LOCA)下的FeCrAl包壳性能演化仿真提供模型。本文基于反应控制与扩散控制的氧化机制,提出了两段式的氧化增重微分模型,并给出了模型参数标定方法。结合实验提供的FeCrAl合金在高温(900~1200℃)与中温(400℃)条件下的水蒸气氧化增重数据,模型能够统一描述400~1200℃温度区间内的FeCrAl合金氧化增重行为,与实验数据的误差控制在20%以内。同时观测到,反应-扩散机制的临界增重在400~900℃时基本不变,在更高温度时显著上升,其原因是高温时氧化层生长过快,难以形成致密的氧化保护层。考虑实际LOCA时初始水腐蚀氧化层的影响以及气压变化,模型给出了相对应的修正方案。本研究有望为FeCrAl合金包壳在LOCA下的失效行为仿真提供氧化增重模型与数据。

1000和1100℃下多弧离子镀Cr涂层Zr-4合金的高温蒸气氧化行为

Cr涂层锆合金包壳是提高轻水反应堆燃料组件抗高温氧化性能的重要方法。本工作旨在研究Cr涂层Zr-4合金在水蒸气环境中的高温氧化行为,采用多弧离子镀工艺制备Cr涂层Zr-4合金样品,在1000和1100℃水蒸气环境中开展高温氧化实验,采用高精度天平获得样品氧化增重,采用扫描电子显微镜(SEM)、能量色散谱仪(EDS)和X射线衍射仪(XRD)测试分析样品的表面与截面微观形貌、元素分布、物相及Cr-Zr扩散层厚度。结果显示,多弧离子镀制备的Cr涂层Zr-4合金样品表面存在大量尺寸不等的大颗粒,Cr涂层沿着(110)晶面择优生长。高温蒸气单位面积氧化增重与时间近似遵循抛物线规律,1100℃的蒸气氧化速率明显高于1000℃,相同温度下Cr涂层Zr-4合金的氧化速率低于无涂层Zr-4合金。高温蒸气氧化后,样品表面生成晶须状氧化物,且氧化物间存在大量微孔。在1100℃高温蒸气氧化3和4 h后,样品表面被氧化生成蠕虫状的团状物。样品截面呈层状结构,由外向内分别为Cr_(2)O_(3)层,Cr涂层,Cr-Zr扩散层,α-Zr(O)层(ZrO_(2)层)。但表面Cr_(2)O_(3)层的厚度并不是随着氧化时间的增加而同步增加的,而Cr-Zr扩散层的厚度随氧化温度和氧化时间的增加而增大,且与氧化时间基本呈线性关系。因此,采用多弧离子镀制备的Cr涂层Zr-4合金在1000和1100℃下表现出良好的抗高温蒸气氧化性能。

Al和Cr协同作用提高核用高强钢耐水蒸气氧化性能

前期研发的Fe-Ni-Al基超高强度马氏体时效钢表现出了良好的力学和抗辐照性能,然而典型Cr_(2)O_(3)氧化保护膜的耐热钢在轻水反应堆高温高压含水蒸气的服役环境中极易失效,亟待研发兼具抗高温水蒸气氧化、优异力学和抗辐照性能的先进材料。本工作在前期研发的Fe-Ni-Al系超高强度马氏体时效钢基础上添加不同含量的Cr元素,在保持新型马氏体钢优异力学性能的同时,对其在干燥空气和含水蒸气环境中的氧化性能进行研究。采用非自耗真空电弧炉制备合金铸锭,并对时效处理后的高强钢进行600℃干燥空气和潮湿空气2种环境中的抗氧化性能测试,对氧化后样品的表面和截面形貌进行微观组织表征。结果表明,添加9%Cr后的Fe-13Ni-2.3Al高强钢在600℃空气+10%水蒸气的气氛中氧化100 h的平均单位面积增重仅为0.1 mg/cm^(2),是添加5%Cr的Fe-13Ni-2.3Al高强钢和Fe-18Ni-3Al马氏体时效钢的1/50。对氧化后高强钢微观组织表征分析表明,在Al和Cr元素协同作用下,Fe-13Ni-9Cr-2.3Al高强钢在600℃空气+10%水蒸气条件下表面自发形成了富Fe、Cr、Al的复合氧化膜,提高了抗高温水蒸气氧化性能,其中Cr通过第三组元效应降低氧化物膜-基体界面氧分压,从而促进在高温水蒸气条件下在基体表面形成致密连续的富Al氧化膜。