核级锆合金性能及其应用领域研究中期报告

中期报告
题目：核级锆合金性能及其应用领域研究
图1.1不同腐蚀条件下Zr-4和N18合金样品的腐蚀增重曲线成分相同的锆合金在不同水化学条件下进行腐蚀时，其发生转折所需时间和转折后的腐蚀速率有很大差别，并且对不同水化学条件腐蚀的敏感性也不同。

近年来，主要集中研究了锆合金在LiOH水溶液中的抗腐蚀性能，并且对t-ZrO2的形成和其相的转变进行分析研究。

当氧化膜中的t-ZrO2相向m-ZrO2相加速转变时，氧化膜厚度增加且变得较疏松，致使压应力下降，加速了腐蚀，这样就降低了合金的抗腐蚀性能，因此可以通过控制相变转化率来提高锆合金的抗腐蚀性能。

1.1.2合金元素对Zr合金腐蚀性能的影响
加入合金元素能约束杂质元素对锆耐蚀性的损害，控制氧化膜结构而提高锆合金耐腐蚀性能的。

合金元素对耐腐蚀性能的影响涉及到合金元素种类。

研究表明，锆中添加何种元素均影响纯锆的耐蚀性，350℃水中3000h的腐蚀试验表明，添加合金元素对耐蚀性不利影响的递减顺序依次是Mo、Si、Cu、Nb、Ni、Cr、Sn和Fe。

理论上根据Wagner-Hauffe假说，选用锆的同族元素进行合金化对提高锆的耐腐蚀性最有利。

但Ti元素对锆的耐腐蚀性能是有害的；Hf元素因其大的热中子吸收截面可作为优异的控制材料被使用；Sn是第IV族元素中唯一能成为锆的合金化元素，目前生产中通常采用降低Sn元素含量，添加Nb元素的微量的Cu元素以及提高Fe元素含量来改善锆合金腐蚀性能，其他可添加的元素还有Nb，Cr，Mo，Ni，Fe。

目前，通常通过以下几个方面控制锆合金的耐腐蚀性能：
（1）改变合金元素成分和比例
不同合金元素的作用对于处于不同腐蚀介质中的锆合金的影响是不同的，因此要考虑合金元素的协同作用。

当前新型锆合金的设计趋势是：降低Sn的含量（0.3％-0.6％），提高耐腐蚀性能；添加一定量的Cu（0.01％-0.2％），提高耐腐蚀性能；增加Fe（0.1％-0.35％）的含量，降低Nb、Fe质量比；尽量避免Cr、Ni的加入，以减少吸氢。

（2）表面改性处理
目前主要使用的表面改性处理方法有离子注入技术和等离子电解氧化技术。

等离子电解氧化(PEO) 技术就是在合适的电解液中进行等离子电解氧化，使锆合金表面生成陶瓷氧化物膜，提高材料的耐磨性和耐腐蚀性能。

研究表明，PEO技术是一种改善锆合金耐腐蚀性能的有效方法。

另外，改善锆合金腐蚀性能还可通过：①控制热加工制度，优化加工工艺，控制第二相数量、大小及分布；②控制水化学条件。

但这些措施仍需进一步发展完善，因此在改善锆合金耐腐蚀性能方面仍需进行大量研究工作。

1.2锆合金的力学性能：
金属的塑性变形主要依靠滑移和孪生，锆合金的塑性变形机制包括柱面滑移、基面滑移、锥面滑移和孪生等。

锆合金的微观组织和力学性能主要通过锆合金塑性变形机制影响，如变形方式、晶粒的初始取向、变形温度和应变速率等。

纯锆的室温弹性模量为9.9×104Mpa，剪切模量为3.6×104Mpa，泊松比为0.35，室温下为密排六方结构。

由于α-Zr的滑移面为（1010），不同于其他金属的（0001）面，故具有比其他密排六方金属优异的延性。

密排六方结构金属一个重要特性是各向异性，对称性低，独立滑移系少，比面心立方晶体和体心立方晶体复杂得多。

因此，晶粒取向是影响其变形机制的一个非常重要的原因。

国外的很多研究工作主要集中在具有强烈基面织构的纯锆板材，而对于含有合金元素的锆合金，初始取向对其塑性变形行为及变形机理等方面的研究工作还开展得很少。

此外，Zr合金板材通常具有双峰织构，这对深入研究取向对变形机理和变形织构的影响带来更大的难度和挑战。

图1.2密排六方晶体点阵的滑移系
注：1. 正文：宋体小四号字，行距22磅；标题：加粗宋体四号字
2. 中期报告由各系集中归档保存，不装订入册。