多弧离子镀Cr涂层Zr-4合金的高温氧化行为研究

2011年的福岛核事故暴露出锆合金包壳抗高温氧化性能的不足。为此,国际核燃料领域提出了耐事故燃料这一概念。Cr涂层锆合金包壳作为耐事故燃料包壳近期可商用的技术途径得到了广泛关注。本文旨在研究Cr涂层Zr-4合金在不同温度下的高温氧化行为,采用多弧离子镀技术制备Cr涂层Zr-4合金样品,并在800-1200℃空气气氛中氧化4 h,采用扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)、能量色散谱仪(Energy Dispersive Spectrometer,EDS)、电子背散射衍射(Electron Backscatter Diffraction,EBSD)和掠射角X射线衍射仪(X-ray diffractometer,XRD)表征Cr涂层Zr-4合金样品在高温氧化前后的微观结构、物相等。氧化温度对Cr涂层Zr-4合金的微观组织结构、物相、Cr-Zr扩散层厚度以及氧化增重的影响分析结果显示: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滴液,Cr涂层呈柱状晶形态生长,且沿着(110)晶面择优生长。在800-1100℃高温氧化4 h后,样品表面出现不同程度的氧化,但涂层内部依然残留有未被氧化的Cr涂层,样品表面和截面没有出现微观裂纹,Cr-Zr扩散层的厚度随着氧化温度的增加呈线性规律增长,氧化增重增加缓慢。而1200℃高温氧化4 h后,样品表面Cr涂层全部被氧化,表面和截面出现大量宏观裂纹,且Cr-Zr扩散层的厚度和氧化增重急剧增大。因此,采用多弧离子镀制备的Cr涂层Zr-4合金在800-1100℃下表现出良好的抗高温性能,而在1200℃发生了加速氧化现象。

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。