超声速火焰喷涂WC-10Co4Cr涂层对TC11钛合金耐磨性和耐蚀性的影响

采用超声速火焰喷涂(HVOF)工艺,在随钻仪器零件常用材料TC11钛合金表面制备金属陶瓷涂层WC-10Co4Cr,利用冲击试验机测量喷涂前后钛合金的冲击韧性,使用磨粒磨损试验机测定涂层的耐磨性,采用电化学测试分析涂层的耐蚀性。结果表明:HVOF工艺对TC11钛合金的组织和性能影响较小,与未喷涂的钛合金相比,界面处基体的显微组织和显微硬度没有明显变化,冲击韧性稍有提高;HVOF工艺稳定可靠,涂层呈片层结构,致密度高,涂层的孔隙率为2.55%,硬度达到1400 HV,涂层主要由WC和W2C相组成,其与基体结合良好,为机械结合;金属陶瓷涂层能够显著改善钛合金的耐磨性和耐蚀性,喷涂涂层钛合金的磨损量是未喷涂钛合金的1.56%,喷涂涂层钛合金的磨损机制是磨粒磨损,未喷涂涂层钛合金磨损机制是磨粒磨损+黏着磨损。

锆合金包壳Cr涂层界面元素扩散行为研究进展

随着核反应堆向高燃耗和更长服役寿命方向发展,对包壳材料的安全可靠性提出了更高的要求。锆合金表面Cr涂层由于其优异的抗高温氧化性能、耐腐蚀性能以及与基体良好的兼容性,被认为是最有前景的耐事故涂层包壳材料。综述了近年来涂层Cr与基体Zr界面元素扩散行为的研究成果,重点介绍了Cr涂层不同状态下的界面结构及演变规律,包括沉积、退火、辐照、氧化等状态。总结了Cr的扩散、分布和金属间化合物Zr-Cr-(Fe)层的生长动力学模型,归纳了界面扩散对涂层结构及性能的不利影响。扩散阻挡层是一种抑制涂层与基体互扩散的有效结构,介绍了阻挡层设计制备原则以及现有的和潜在的金属或陶瓷阻挡层材料,分析了2类典型阻挡层的优缺点。金属阻挡层能抑制Cr的扩散并延迟Cr-Zr共晶反应,但需要考虑中子经济性;虽然陶瓷阻挡层阻隔元素扩散的性能优异,但由于其与锆合金力学性能和热膨胀系数的差异明显,易产生微裂纹,需要考虑其抗裂性。最后提出了采用实验与分子动力学等相结合的多尺度研究方法开展界面研究,同时指出了目前研究工作中亟待解决的关键问题,这为后续的锆合金表面耐事故涂层研究与开发提供了重要参考。

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。

切向位移对Cr涂层Zr-1Nb合金包壳微动磨损的影响

随着核电技术更新迭代,由于传统Zr合金包壳存在安全性能缺陷,核燃料组件安全面临严峻挑战,探索开发新型核燃料包壳管成为核电安全防护领域的重点研究。以Cr涂层Zr-1Nb合金包壳管(改良型ATF材料)为研究对象,探究切向位移对Cr涂层Zr-1Nb合金包壳管微动磨损行为及磨损机理的影响。采用白光干涉仪表征出Cr涂层Zr-1Nb合金包壳管表面磨痕的三维形貌,对Cr涂层Zr-1Nb合金包壳管表面磨痕的截面轮廓以及磨损深度进行测算。通过扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)对表面磨痕的微观形貌以及元素组成进行表征。结果表明:随着切向位移增加最大磨损深度随之增加,微动运行状态由部分滑移逐渐转变为完全滑移,Cr涂层Zr-1Nb合金包壳管表面的磨屑黏着现象逐渐减弱,磨损机理由黏着磨损转变为剥层磨损。所有试验中Cr涂层Zr-1Nb合金包壳管存在明显的氧化磨损。从微观角度探索了接触模型为GTR构型的改良型ATF包壳材料微动磨损机理以及微动磨损行为,制备的Cr涂层能够提高Zr-1Nb合金包壳管的微动磨损性能,有效延长包壳管的服役寿命。

炮钢表面电弧离子镀Cr涂层的制备及磨损性能

为了增强炮钢表面的摩擦磨损性能,采用电弧离子镀技术在炮钢表面沉积硬Cr涂层和软Cr/硬Cr涂层。采用扫描电镜、能谱仪和X射线衍射仪对炮钢和涂层的微观形貌、成分以及相组成进行表征。结果表明:在硬度和耐磨性方面,硬Cr涂层和软Cr/硬Cr涂层较炮钢基体均显著提升,其中软Cr/硬Cr涂层的纳米硬度最高,相较于炮钢,硬度提升了173%,并具有较高的H^(3)/E^(2)和H^(3)/E^(2 )值;在磨损方面,炮钢的磨损量最高,其次是硬Cr涂层,而软Cr/硬Cr涂层的磨损量最低。炮钢的磨损机理主要为粘着磨损和磨粒磨损,硬Cr涂层为轻微氧化磨损和磨粒磨损,而软Cr/硬Cr涂层为粘着磨损、磨粒磨损和氧化磨损。

Cr涂层包壳管开裂行为的研究进展

耐事故燃料相比于核电站传统的(UO_(2)/Zr)体系,可以有效地在核反应堆的正常工况中提升反应堆安全性,同时也能抵御更长时间的极限事故,由于其制造工艺成熟,经济效益较高,Cr涂层锆合金包壳在近期被认为是ATF在包壳管上部署的主流方案。但Cr涂层包壳管在服役工况下的开裂行为与失效机制却还未被深入地研究和分析,本文将以正常服役工况和典型事故工况为目标导向,收集总结国内外Cr涂层堆外性能试验的相关数据,就Cr涂层包壳的失效机制预防提出一些建议,以期为后续国内Cr涂层包壳性能优化设计提供一定的数据和理论支持。

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。

WC-10Co4Cr涂层的制备工艺及性能研究

WC-10Co4Cr涂层具有高硬度和良好耐磨损性能,在航空领域应用广泛。采用超音速火焰喷涂法在A100钢表面制备了WC-10Co4Cr涂层,通过正交实验法确定最佳制备工艺,在最佳工艺条件下制备WC-10Co4Cr涂层,测试了涂层的显微硬度、残余应力、结合强度和摩擦系数。结果表明,最佳工艺条件是煤油流量为5.8 SCFH,氧气流量为1900 SCFH,喷涂距离为350 mm,送粉速率为9.5 r/min。在最佳工艺条件下制备的WC-10Co4Cr涂层平均显微维氏硬度为1137,硬度明显高于A100合金钢基底,残余应力造成的弧高值为0.373 mm,涂层的结合强度高于70.9 MPa。制备的WC-10Co4Cr涂层在显微硬度、残余应力和结合强度方面均能达到航空行业标准。WC-10Co4Cr涂层的磨损深度和磨损体积明显低于A100合金钢基底,具有更高的耐磨损性能。A100合金钢的磨损机制为黏着磨损,WC-10Co4Cr涂层的磨损机制为磨粒磨损。

Cr涂层对板状燃料元件起泡特性影响数值模拟

鉴于Cr涂层能够有效地缓解棒状燃料元件包壳在失水事故时的鼓胀现象,本文提出将Cr涂层应用于板状燃料元件以抑制其起泡的方案。为研究Cr涂层对板状燃料元件起泡现象的抑制作用,本文采用有限元分析工具,分别添加Zr和Cr涂层的材料物性,并根据起泡现象的特征,考虑了Zr和Cr的热蠕变和受辐照硬化后的塑性行为。采用开发的工具对起泡退火实验进行了模拟,分析了温度和厚度对Cr涂层抑制作用的影响。研究结果表明:Cr涂层的屈服极限较低,在起泡现象发生时容易进入塑性阶段,从而不能有效地阻止起泡现象的产生;但其在大于700 K的高温下,较低的蠕变率能够降低起泡的高度,且温度越高降低的效果越明显。因此,Cr涂层可以抑制包壳的蠕变以降低起泡的高度。

超音速火焰喷涂制备Cr涂层及其高温氧化性能

目的探索一种高效制备核电用包壳材料锆合金表面涂层的方法,以应对反应堆失水事故,提高核电安全性。方法采用超音速火焰喷涂技术在Zr-4合金表面制备Cr涂层,高温氧化试验在1200℃空气中进行,氧化时间30 min。通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)研究Cr涂层氧化前后的结构和显微组织。采用划痕法测试涂层与基体结合力。采用金相显微镜(OM)观察划痕形貌。结果采用HVOF技术可以在锆合金基体上制备的涂层主要为体心立方结构的金属Cr同时含有约21.9%密排六方结构(HCP)的Cr_(2)O_(3)。抛光可以减少Cr_(2)O_(3)至约10.1%。涂层由层状结构、未熔颗粒和少量孔隙组成。Cr_(2)O_(3)主要分布在层状结构中,未熔颗粒形成的不规则块状结构基本不含氧,主要为金属Cr。涂层与基体的结合力为77~94 N。喷涂工艺参数为煤油流量23 L/h、氧气流量880 L/h、喷涂距离330 mm的涂层样品结合力最高,为94 N。在1200℃空气中氧化30 min后,涂层靠近基体界面处形成11~14μm厚的连续致密层,而靠近界面处的基体衬度变暗,能谱信息显示含有Cr,因此判断该区域为Zr-Cr过渡层,厚度约为5μm,说明存在基体与涂层的互扩散层,且Zr向涂层的扩散速率明显大于Cr向基体的扩散速度。有Cr涂层的Zr基体没有发生氧化,涂层内部也基本没有氧化,而没有涂层覆盖的基体氧化层厚度在120μm以上。结论采用HVOF可以在锆合金表面制备出结构致密、与基体结合紧密且抗高温氧化性能优良的金属Cr涂层。

CeO_(2)改性多尺度WC-CoCr涂层组织结构及空蚀性能研究

采用超音速火焰喷涂技术,制备多尺度WC-10Co_(4)Cr涂层和纳米CeO_(2)改性涂层。研究添加纳米CeO_(2)对多尺度WC-10Co_(4)Cr涂层组织结构、力学性能的影响。并采用超声振动空蚀装置研究淡水介质中涂层的空蚀行为和机理。研究表明,改性涂层和未改性涂层物相均主要由WC相和非晶CoCr组成,没有产生明显的脱碳相。纳米CeO_(2)改性多尺度WC-10Co_(4)Cr涂层具有更低孔隙率(0.25%),但涂层显微硬度(1134 HV0.3)只有多尺度WC-10Co_(4)Cr涂层的83%。同时其开裂韧性(5.27 MPa·m^(1/2))相对于多尺度WC-10Co_(4)Cr涂层降低了4%。纳米CeO_(2)的添加削弱了涂层在淡水介质的抗空蚀性能,其抗空蚀性能只达到多尺度WC-10Co_(4)Cr涂层的61%。纳米CeO_(2)的添加降低了多尺度WC-10Co_(4)Cr涂层的孔隙率,但同时削弱了涂层的力学性能,由此降低了涂层的抗空蚀性能。

添加CeO_(2)对超音速火焰喷涂微纳米结构WC-10Co4Cr涂层组织和性能的影响

采用超音速火焰(HVOF)喷涂技术制备了微纳米结构WC-10Co4Cr涂层和质量分数1%CeO_(2)改性微纳米结构WC-10Co4Cr涂层,研究了CeO_(2)的添加对涂层显微组织、力学性能和耐磨粒磨损性能的影响。结果表明:CeO_(2)的添加对粉末烧结过程中Co_(3)W_(3)C相的形成有抑制作用,同时能够减少喷涂过程中W_(2)C相的生成;CeO_(2)改性涂层的孔隙率为未改性涂层的72%;CeO_(2)的添加会加剧涂层的铬元素聚集程度,不利于CoCr黏结相的生成;CeO_(2)改性涂层的力学性能和耐磨粒磨损性能均低于未改性涂层,显微硬度和断裂韧度分别降低了11%和7%,经过15 600 r磨损后,其磨损质量损失率比未改性涂层高36%。

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。

南海海洋大气环境下WC-10Co4Cr涂层初期腐蚀行为研究

在10Cr13不锈钢表面,采用超音速火焰喷涂(HVOF)技术制备了WC-10Co4Cr涂层。在南海海洋大气环境下,进行户外大气暴露试验。使用腐蚀失重法、拉伸试验、金相、扫描电镜(SEM)等方法对试样的腐蚀形貌、微观组织、力学性能等进行研究。采用电化学测试不锈钢及涂层试样试验前后的电化学特性。结果表明,经过1年大气暴露试验,相比不锈钢裸材,火焰喷涂对不锈钢材料的防护效果明显,金属基体无明显腐蚀,平均腐蚀速率为0.333μm/a,试样强度未发生明显改变。试样中间区域喷涂层完好,腐蚀电流密度较暴露前几乎没有变化。

Cr涂层锆合金事故容错燃料包壳材料研究进展

自2011年日本福岛核事故后,事故容错燃料成为核电企业和相关科研机构的研究重点,旨在提升反应堆燃料系统的可靠性与安全性。锆合金包壳表面涂层技术是事故容错燃料研发的短期目标之一,其中,Cr涂层锆合金包壳为当前的主要技术路线。围绕涂层制备工艺、微观组织以及关键服役性能三方面,对Cr涂层锆合金的相关研究进展进行了综述。首先,对比介绍了锆合金表面金属Cr涂层制备工艺及其特点,涵盖了物理气相沉积、冷喷涂和3D激光熔覆等技术,同步介绍了国际核电巨头所采用的制备工艺及相关研发进展。其次,简单阐述了Cr涂层微观组织特征,重点阐述了正常运行工况下Cr涂层锆合金高温高压水腐蚀性能、高温高压水微动磨蚀性能、高温力学行为和辐照行为,以及事故工况下该材料体系高温内压爆破行为、高温蒸气氧化-淬火行为等,并同步针对其微观辐照机制、高温氧化/腐蚀机制等进行了归纳和深入分析。最后,对当前研究所存在的问题和未来发展方向进行了归纳分析。

喷涂距离对内孔HVOF喷涂纳米WC-10Co4Cr涂层组织及抗泥沙冲蚀性能的影响

利用内孔氧-丙烷超音速火焰喷涂技术在ZG0Cr13Ni5Mo不锈钢基材表面制备纳米WC-10Co4Cr涂层,分别通过45°和90°两种内孔喷枪研究了喷涂距离对涂层宏/微观组织及抗泥沙冲蚀性能的影响。采用X射线衍射仪(XRD)测试分析了涂层的物相成分,利用扫描电子显微镜(SEM)观察了涂层截面的微观形貌,并结合金相显微镜分析了孔隙率;通过维氏硬度计测试了涂层的显微硬度,利用粗糙度仪和光学轮廓仪表征了涂层表面的粗糙度及三维形貌;采用泥沙冲蚀磨损试验机对比研究了涂层与不锈钢基材的抗泥沙冲蚀性能,并结合SEM分析了冲蚀磨损机理。研究发现,45°和90°两种内孔喷枪所制备纳米WC-10Co4Cr涂层主要物相成分均为WC、W_(2)C和非晶态CoCr合金相,未受到喷涂距离的影响。短喷涂距离会导致涂层孔隙缺陷的产生,孔隙率随着喷涂距离的增大先下降后上升。喷涂距离对90°喷枪所制备涂层显微硬度的影响较小,而45°喷枪在喷涂距离增大到150 mm以后涂层硬度有下降趋势,两者最高硬度分别为1343.1 HV0.2和1275.4 HV0.2;对于两种喷枪,短喷涂距离会导致涂层表面产生凸起团聚颗粒,粗糙度随着喷涂距离的增大而降低。涂层抗泥沙冲蚀性能随喷涂距离的增大先升高而后逐渐下降,45°和90°内孔喷枪喷距分别为200 mm和250 mm时所制备涂层的抗泥沙冲蚀性能达到最高,分别是基材的7.03倍和8.05倍。WC-10Co4Cr涂层的泥沙冲蚀磨损机制主要是交变应力下的疲劳剥落,基材则为均匀的泥沙微切削。

Cr涂层对锆合金包壳管脉冲TIG焊接工艺的影响

对Cr涂层锆合金包壳管进行了脉冲TIG焊接,并对Cr涂层包壳管的焊缝成型及组织进行了分析。结果表明,Cr涂层包壳管的焊缝成型较好,但Cr蒸汽在钨极表面附着,且易与钨极中的W发生匀晶反应,加速了钨极烧损。Cr涂层引起接头表面的氧化色加重,在焊缝的涂层侧形成蓬松层,高温水腐蚀后蓬松层出现脱落。涂层Cr元素熔入焊缝后促进晶粒细化,也造成一定的焊缝夹杂。

Cr涂层厚度对锆合金包壳GTAW焊缝组织与性能的影响分析

研究了Cr涂层厚度对锆合金包壳GTAW接头组织和性能的影响,结果表明涂层明显降低焊缝的熔深,Cr元素非均匀熔入焊缝造成焊缝点状特征出现,且随涂层厚度增加而增多,当涂层厚度超过20μm后,涂层侧焊缝形成鱼骨状的共晶组织,并观察到沿晶间扩展的显微裂纹。水腐蚀下焊缝表面的富Cr层具有明显的裂纹和脱落倾向,熔于焊缝内的Cr元素则显著增加焊缝的硬度,当Cr涂层厚度为15μm时焊缝硬度最高,达到299 Hv,涂层厚度继续增加焊缝硬度出现降低趋势。

浅谈喷丸强化及WC10Co4Cr涂层对300M钢疲劳性能的影响

采用喷丸强度为0.4mmN的工艺对300M钢进行喷丸强化,再利用超音速火焰喷涂在300 M钢基体上进行WC10Co4Cr的涂覆。研究了300M钢在未喷丸强化和喷丸强化后基体上的涂层结合强度,以及未经处理、仅经过喷丸处理、经过喷丸处理与喷涂工艺处理后的300M钢疲劳性能,并对疲劳断口进行了微观形貌分析。涂层结合强度试验结果表明,未喷丸强化和喷丸强化后的基体上的涂层结合强度没有明显区别,均高于70MPa。疲劳试验结果表明,喷丸强化工艺使得300M钢的高应力区的疲劳性能获得明显的提高,但疲劳极限略有降低;而材料即便先经过喷丸强化再进行喷涂工艺处理,疲劳性能仍有十分明显的下降,甚至低于未处理的基体。断口分析结果表明,喷涂工艺中的吹砂处理对试样表面的损伤明显,不仅破坏了喷丸强化工艺引入的表面强化层,而且损伤了强化层下方的部分基材,损伤点的存在造成了材料疲劳性能的明显下降。

Fe/Cr涂层抗高温氧化性能研究

采用电弧喷涂技术,用Fe/Cr粉芯丝材制备出新型的耐高温抗氧化涂层。使用光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)等分析仪器研究了Fe/Cr涂层的抗高温氧化性、高温氧化动力学及其微观结构,并与传统的NiCr合金涂层进行了对比。试验结果表明:该涂层的抗高温氧化性能较好,与传统的NiCr合金涂层相比具有一定的优势;表面生成均一致密的Cr2O3膜是其抗高温氧化性能优异的主要原因。