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。

加工工艺对Zr-4合金管材腐蚀性能影响

采用Zr-4合金Φ63.5 mm×10.92 mm管坯,在不同轧制工艺下,即不同轧制Q值和累积退火参数下制备管材,对比了管材耐疖状腐蚀性能和长期耐均匀腐蚀性能,结果表明:累积退火参数在0.96×10^(-18)~1.17×10^(-18) h时,第二相颗粒尺寸在70~90 nm的范围内,第二相颗粒尺寸随着累积退火参数降低而减小,可在一定程度上改善Zr-4合金管材耐疖状腐蚀性能;轧制中间道次Q值从0.687提升至1.0以上时,管材径向织构因子增大,耐疖状腐蚀性能显著提升;在上述工艺参数范围内,管材长期耐均匀腐蚀性能无明显变化。

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。

Zr-4合金疲劳裂纹扩展试验及仿真研究

为了准确获得Zr-4合金的疲劳裂纹扩展参数及剩余疲劳寿命,进行了3组紧凑拉伸试验(CT),用Paris公式表征裂纹扩展速率。基于Franc3d和Abaqus的联合仿真验证试验数据的有效性。在确保了扩展参数准确的基础上,探讨了裂纹融合间距对Zr-4合金包壳管剩余疲劳寿命的影响。结果表明:CT试验裂纹扩展路径与联合仿真获得的裂纹路径一致,且模拟结果和理论结果的最大偏差为6.7%,得到裂纹扩展参数C=1.376×10^(10)、m=2.3787;两裂纹半径相同时,间距变化对剩余疲劳寿命无影响,裂纹融合时中间部分的应力强度因子出现较大突变,且大于两侧的应力强度因子。

Zr-4合金的热变形和加工图

在Gleeble-1500热／力模拟机上对Zr-4合金进行了热压缩试验，研究了其在温度750℃-950℃和应变速率0．005s^-1～50s^-1条件下的热变形行为。结果表明：热变形过程的流变应力可用双曲正弦本构关系来描述，平均激活能为377．79kJ／mol。根据材料动态模型，计算并分析了Zr-4合金的加工图。利用加工图确定了热变形的流变失稳区，并且获得了试验参数范围内的热变形过程的最佳工艺参数，其热加工温度930℃～950℃，应变速率为0．05s^-1～0．8s^-1和10s^-1-30s^-1的2个区域。

Ge含量对Zr-4合金在LiOH水溶液中耐腐蚀性能的影响

采用堆外高压釜腐蚀试验研究添加0.1%Ge和0.5%Ge(质量分数)对Zr-4合金在360℃、0.01 mol/L LiOH水溶液中耐腐蚀性能的影响,用TEM和EDS研究合金的显微组织和第二相成分。结果表明:与Zr-4合金相比,添加Ge后合金的耐腐蚀性能显著提高,但随着Ge添加量的增加,对耐腐蚀性能的提高作用减弱。当Ge含量为0.1%时,析出密排六方结构的Zr(Fe,Cr)2和Zr(Fe,Cr,Ge)2型第二相;当Ge含量达到0.5%时,还会析出Zr-Sn-Fe-Cr-Ge和尺寸较大的四方结构Zr3Ge型第二相,添加Ge会使α-Zr基体中固溶的Sn含量降低。固溶在α-Zr中的Ge和尺寸较小的Zr(Fe,Cr)2、Zr(Fe,Cr,Ge)2型第二相可以提高Zr-4+xGe合金的耐腐蚀性能;析出Zr-Sn-Fe-Cr-Ge和尺寸较大的Zr3Ge第二相后会对耐腐蚀性能产生不利的影响。

机械研磨处理Zr-4合金表面纳米化研究

选用表面机械研磨技术(SMAT)处理密排六方结构Zr-4合金的表面,实现Zr-4表面纳米化,并利用X射线衍射(XRD)对比分析不同时间SMAT处理Zr-4合金表面平均晶粒尺寸。SMAT处理15min时Zr-4合金表面平均晶粒尺寸最小,约为20nm。利用光学显微镜(OM)、透射电镜(TEM)、高分辨透射电镜(HRTEM)对其纳米化表层结构进行表征,并研究了其表面纳米化机制。

Zr-4合金管砂带随形磨削实验分析

采用3种不同磨料的砂带对Zr-4合金管进行了磨削工艺试验,探究了磨粒与工件间的交互创成机理,得到了Zr-4合金材料砂带磨削过程中材料去除率和表面粗糙度的主要影响因素。借助先进的测试设备,对磨削后的砂带磨粒磨损形貌、工件表面形貌进行了观测,并对Zr-4合金表面烧伤层金相组织及显微硬度变化规律做了分析研究。试验结果表明:砂带线速度、磨削压力、接触轮硬度和磨料种类对材料去除率和表面粗糙度均有较大的影响,其中砂带线速度影响最为显著;锆刚玉和氧化铝磨粒的粘附磨损较为严重,碳化硅磨粒主要以磨耗磨损为主;工件烧伤时材料表层金相组织发生变化,使得Zr-4合金物理机械性能下降。试验及研究结果为寻求高效、高精度Zr-4合金砂带磨削加工工艺提供了试验和理论依据。

Zr-4合金应力松弛过程中的热激活变形与动态应变时效

采用应力松弛实验研究了Zr-4合金的热激活变形与动态应变时效现象.结果表明,合金在应力松弛过程中的塑性变形速率随松弛时间的增加而减小,塑性变形速率和松弛结束时的应力降低比率在623 K附近都会出现最小值.对位错运动的激活体积分析发现,锆合金中位错运动的速率控制机制是位错克服溶质原子的障碍,动态应变时效会导致位错运动的激活体积增大, 623 K附近动态应变时效最为显著,位错密度会对合金的动态应变时效产生影响.

喷丸处理Zr-4合金氧化膜组织和氧化动力学研究

采用高能喷丸技术获得表面处理的Zr-4合金,并对其在673K,18.3MPa的高压釜中腐蚀,通过XRD、SEM、AFM分析喷丸处理后Zr-4合金形成的氧化膜与普通Zr-4合金形成的氧化膜的成分、形貌、表面粗糙度、晶粒尺寸大小及应力分布等。发现喷丸处理后的Zr-4合金晶粒尺寸减小,并改善了锆合金的耐腐蚀性能。

Pd添加对Zr-4合金在LiOH水溶液中耐腐蚀性能的影响

采用静态高压釜腐蚀实验研究添加微量Pd元素的Zr-4合金在(360℃,18.6 MPa)条件下0.01 mol/L Li OH水溶液中的耐腐蚀性能,采用TEM和SEM研究合金和氧化膜的显微组织。结果表明:添加0.05%~0.2%Pd(质量分数)均可明显改善Zr-4合金在Li OH水溶液中的耐腐蚀性能,其中添加0.1%Pd时改善作用最显著,随着添加Pd含量的进一步增加,对Zr-4合金耐腐蚀性能的改善作用减弱。在Zr-4合金中Pd元素以Zr2(Fe,Cr,Pd)、Zr2(Pd,Fe)形式的第二相析出,其中Zr2(Pd,Fe)第二相尺寸较大。固溶在α-Zr中的Pd和尺寸较小的Zr2(Fe,Cr,Pd)型第二相可以提高Zr-4合金的耐腐蚀性能;析出尺寸较大的Zr2(Pd,Fe)第二相后会对Zr-4合金的耐腐蚀性能产生不利的影响。

织构对Zr-4合金低周寿命的影响

采用XRD测定了Zr-4合金板材的织构,用拉扭试验机分别测试了Zr-4合金板材在室温时轧向(R试样,拉伸轴平行于轧向)和横向(T试样,拉伸轴平行于横向)的低周疲劳性能,用TEM研究了Zr-4合金的疲劳亚结构。结果表明:Zr-4合金板材存在明显的织构;轧向的低周疲劳性能高于横向;在循环变形过程中,只有部分晶粒发生了塑性变形,发生塑性变形的晶粒内存在着许多位错和滑移线,T试样中的位错和滑移线比R试样更稠密。板材织构造成了R试样和T试样的低周疲劳寿命。

表面机械研磨处理后Zr-4合金的组织与性能

利用表面机械研磨处理(SMAT)技术对Zr-4合金进行了表面纳米化处理,用XRD、光学显微镜、表面粗糙度仪对经SMAT不同时间合金表层的物相组成、平均晶粒尺寸、显微组织和表面粗糙度进行了分析,并使用硬度计测试了距表面不同深度处的硬度。结果表明:经SMAT后Zr-4合金表层的物相组成未改变;SMAT 15 min后Zr-4合金表层平均晶粒尺寸达到最小约为20 nm;SMAT后合金表层出现了一定厚度的塑性变形层;SMAT 60 min后合金表层的硬度约为基体硬度的1.3倍,且沿着深度方向逐渐减小;合金表面粗糙度随SMAT时间的延长先增大后减小最后趋于平稳。

Zr-4合金小试样高温疲劳行为研究

基于Zr-4合金漏斗薄片小试样,完成了室温和400℃高温下的等幅横向应变循环与应变疲劳试验。根据弹塑性有限元分析,建立了基于局部应变等效的应变换算方法,并结合实验结果,得到了估算Zr-4合金应变疲劳寿命的Manson-Coffin模型。结果表明:低应变幅下,Zr-4合金表现出循环软化特征;高应变幅下,Zr-4合金表现出循环强化特征。高温严重降低了低应变幅下Zr-4合金的疲劳寿命,随着应变幅增加,温度影响趋弱。分析表明,基于传统应变转换公式的M-C模型用于估算疲劳寿命偏于保守。

Zr-4合金常规力学行为研究与低周疲劳断口分析

对Zr-4合金开展了常温与400℃高温下的常规力学行为研究,获得了两种温度下材料的单调R-O(Ramberg-Osgood)本构模型。通过测定不同温度下的弹性模量和泊松比,得到了它们随温度的变化关系。同时对Zr-4合金热膨胀系数进行了测定。对常温与400℃高温下低周疲劳试样进行了扫描电镜观察和断口分析,结果发现Zr-4合金低周疲劳断裂以穿晶断裂为主并伴随有疲劳辉纹和二次裂纹出现。

2MeV质子辐照对Zr-4合金显微组织的影响

通过密西根大学离子束表面改性和分析实验室的大束流加速器研究了Zr-4合金的质子辐照效应。结果表明:当原子离位损伤率约1×10-5 dpa/s,在350癈 质子辐照损伤分别达到2dpa、5dpa和7dpa时,辐照后位错环的密度分别为7×1021/m3、8×1021/m3、15×1021/m3,尺寸分别为7nm、11nm和11nm,表明位错环的密度和尺寸随质子辐照注量有增加的趋势。辐照前后的明场像、高分辨相和电子衍射花样均表明,在350癈 2MeV的质子辐照没有使锆4合金中的hcp-Zr(Cr,Fe)2和fcc-ZrFe2沉淀相发生非晶化转变。

热处理对Zr-4合金显微组织和拉伸性能的影响

为探讨不同显微组织对核燃料包壳管Zr-4合金力学性能的影响,对Zr-4合金进行了再结晶退火,960℃、4min淬火,960℃、4min淬火+400℃、18h回火的工艺处理,并分析了Zr-4合金的显微组织和拉伸性能.试验结果表明:再结晶退火态的Zr-4合金组织为等轴α晶;拉伸断裂形式呈韧性断裂,断口以韧窝为主,韧窝底部不存在第二相粒子;经960℃、4min淬火后,显微组织为板条状马氏体,抗拉强度达到635MPa,断口形式属于脆性断裂;回火后显微组织与淬火后相同.

氢对Zr-4合金在400℃时的低周疲劳性能的影响

用TEM分析了氢在Zr-4合金中存在的形式,用MTS809A/T拉扭试验机(25kN)研究了氢对Zr-4合金在400℃低周疲劳性能的影响。实验中采用对称拉压循环(Rε=εmin/εmax=–1),三角波加载;应变速率为2×10-3s-1。研究结果表明:在室温下,氢以δ氢化物的形式存在于Zr-4合金中,δ氢化锆基本与轧面平行;氢含量为240μg/g的Zr-4合金的低周疲劳性能优于无氢Zr-4合金。采用氢致软化机制讨论了氢提高Zr-4合金低周疲劳性能的原因。