合金元素及水化学条件影响锆合金氧化膜/金属界面处显微组织的研究

Zirconium (Zr) alloys have been used as the nuclear fuel cladding materials in water-cooled reactors. In order to reduce the cost of nuclear power, advanced zirconium alloys with better corrosion resistance are required for extending the burnups and prolonging the discharge period of the fuel elements. Although a great work has been carried out to investigate the effect of alloying elements and water chemistry on the corrosion behavior of Zr alloys, the mechanism has not been well understood. Based on the results supported by previous fund, hypothesis that the corrosion behavior of Zr alloys is affected by alloying elements and water chemistry via changing oxide/metal (O/M) interface is proposed. In order to validate and replenish the above theory, little amount of alloying elements (such as Nb, Sn, Fe, Cu, Cr) will be added into high pure Zr alloy. After normalized heat treatment, corrosion tests will be performed in different water chemistry conditions. Microstructure of sub-stoichiometric oxide layer and adjacent Zr matrix and ZrO2 at O/M interface will be observed by focused ion beam (FIB), high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM), three-dimensional atom probe (3DAP). Then based on the microstructure observation results, the effect of alloying elements and water chemistry on the corrosion behavior of Zr alloys will be discussed, which can provide both experimental and theoretical basis for the development and application of new zirconium alloys.

锆合金作为水冷核反应堆中燃料元件的包壳材料，耐高温高压水腐蚀性能至关重要。为降低核电成本，提高核反应堆安全性，需要性能更好的锆合金。合金元素及水化学条件对锆合金耐腐蚀性能的影响机制尚不明确。在前一基金工作的基础上，提出合金元素及水化学条件是通过对氧化膜/金属界面处显微组织的作用来影响锆合金腐蚀进程的观点，为验证并完善这一观点，本项目将选用高纯锆为基体，配制含少量Nb、Sn、Fe、Cu、Cr 等合金元素的二元或多元合金，进行归一化热处理，在不同水化学条件下的静态高压釜中腐蚀，研究各种合金元素及水化学条件对锆合金腐蚀性能的影响。利用聚焦离子束、高分辨电镜，三维原子探针等先进的显微分析手段，重点研究合金元素及水化学条件对氧化膜/金属界面区域的低氧过渡层及相邻金属基体和氧化锆显微组织的影响，探索合金元素及水化学条件影响锆合金耐腐蚀性能的机制，为锆合金的实际应用及开发新型锆合金提供实验及理论依据。

锆合金作为水冷核反应堆中燃料元件的包壳材料，耐高温高压水腐蚀性能至关重要。为降低核电成本，提高核反应堆安全性，需要性能更好的锆合金。合金元素及水化学条件对锆合金耐腐蚀性能的影响机制尚不明确。选用高纯锆为基体，配制含少量Nb、Sn、Fe、Cu、Cr 等合金元素的二元或多元合金，进行归一化热处理，在不同水化学条件下的静态高压釜中腐蚀，研究各种合金元素及水化学条件对锆合金腐蚀性能的影响。利用聚焦离子束、高分辨电镜，三维原子探针等显微分析手段，研究合金元素及水化学条件对氧化膜/金属界面区域的低氧过渡层及相邻金属基体和氧化锆显微组织的影响，探索合金元素及水化学条件影响锆合金耐腐蚀性能的机制，研究结果为锆合金的实际应用及开发新型锆合金提供了实验及理论依据。本工作基本完成了研究目标，提出了应力作用是锆合金腐蚀O/M界面形成低氧化物过渡带的主要原因的观点，认为低氧化物过渡层的形成，可以在一定程度上缓解O/M界面及附近金属、氧化膜中的应力紧张状态，对减缓氧化膜柱状晶向等轴晶的演变进程，从而延缓合金的腐蚀进程，起到了一定作用。提出锆合金发生疖状腐蚀的机制：锆合金腐蚀生成的部分氧化膜具有微孔和微裂纹少，比较致密的特性，生长到一定程度后，在应力作用下，局部薄弱区发生平行O/M界面的开裂并不断扩大，造成表层氧化膜破裂，腐蚀介质水进入裂纹中，形成有效的供氧源，使局部腐蚀加速，发生不均匀腐蚀，这种不均匀腐蚀在适当条件下发展成疖状腐蚀。氧化膜局部产生了可向O/M界面提供充足氧的直接供氧源，是疖状腐蚀发生的最密切的关联因素，所有与发生疖状腐蚀有关的其它因素，如合金元素、第二相的大小和分布、氧化膜生长各向异性等，都是通过对氧化膜相关性质的影响而发生作用。