电镀Cr涂层锆合金的腐蚀行为

在360℃、18.5 MPa的超纯水溶液中和高温(1000和1200℃)水蒸气环境中对采用电镀技术制备的Cr涂层锆合金和没有涂层的锆合金进行了腐蚀行为对比研究。结果表明：在上述腐蚀条件下,Cr涂层显著提升了锆合金的耐腐蚀性能,氧化增重显著降低。与没有涂层的锆合金相比,在高温水蒸气环境中腐蚀54 min后,Cr涂层锆合金的氧化增重下降了一个数量级,在高温高压水环境中腐蚀48 h后,其氧化增重下降了75%。腐蚀后,在Cr涂层锆合金表面形成了细长絮状结构;氧化层越靠近样品表面,结构疏松、空洞数量多且尺寸大;而在靠近Cr涂层与氧化层的界面处,结构致密、无明显尺寸空洞。     

Zr-4合金表面耐事故Cr涂层制备及组织性能研究

在锆合金包壳表面制备保护性涂层材料能够改善现行核燃料组件的服役性能,延缓在＞1200℃高温蒸汽下的锆水反应,提升其在反应堆失水事故下的容错能力。因此,涂层技术也被列为耐事故核反应堆设计和研究的短期规划。本文采用等离子增强物理气相复合沉积技术,在Zr-4合金表面制备了Cr复合涂层,并专门针对涂层与基体的界面进行了离子的轰击注入强化。结合锆合金包壳的实际使用工况,设计试验方法,评价表征了涂层体系的各项性能及其对锆合金基体的影响。高温蒸汽加速腐蚀试验表明,相比于无涂层Zr-4基体试样,Cr涂层明显阻碍了氧向Zr-4基体内部的扩散,并有效抑制了基体内部有害氢化物的生成。在模拟事故的＞1000℃的高温热冲击条件下,相比于无涂层基体表面较厚氧化物生成的现象,涂层样品并未出现脱落,基体也并未出现氧化腐蚀。拉伸及内压爆破测试表明,样品表面Cr涂层表现出与基体较好的附着力,未出现沿破裂界面的脱落,也未影响Zr-4基体的拉伸及室温爆破性能。可以认为,Zr-4合金表面Cr涂层是理想的耐事故涂层材料之一。     

Cr涂层对Zr-1Nb合金包壳微动磨损行为的影响

采用三维白光干涉仪、扫描电子显微镜、能谱仪等表征技术对比研究Cr涂层Zr-1Nb合金包壳和Zr-1Nb合金包壳与格架在模拟压水堆一回路水环境下的微动磨损行为及损伤机制。结果表明,Cr涂层显著提高Zr-1Nb合金包壳的抗微动磨损性能。此外,对磨副为刚凸时,Zr-1Nb合金包壳微动磨损机制以磨粒磨损和剥层磨损为主,而Cr涂层Zr-1Nb合金包壳由于表面硬度较高,且表面形成具有保护作用的三体层,其损伤机制以黏着磨损和材料单向转移为主。对磨副为弹簧时,Zr-1Nb合金包壳微动磨损机制主要为剥层和黏着磨损,Cr涂层Zr-1Nb合金包壳主要为磨粒磨损。     

Ni-Cr-Al合金电弧喷涂工艺对涂层结合强度的影响

为使Ni-Cr-Al合金电弧喷涂涂层获得优良的性能,以涂层结合强度为判据,通过正交试验对Ni-Cr-Al合金电弧喷涂工艺进行了优化。利用扫描电镜、能谱仪等手段对涂层和断口形貌进行分析,同时对涂层的显微硬度进行了测试。结果表明,喷涂距离、雾化空气压力、喷涂电流、喷涂电压对Ni-Cr-Al合金涂层结合强度具有不同的影响,确定优化后的工艺参数为喷涂电流160 A,喷涂电压32 V,雾化空气压力0.5 MPa,喷涂距离160 mm。在优化工艺参数条件下,电弧喷涂Ni-Cr-Al合金涂层组织呈现出典型的层状结构,其最大结合强度可达34.30 MPa,具有较好致密性和硬度。     

锆合金包壳表面涂层的制备进展

锆因其极低的中子吸收截面、较高的熔点和优良的耐腐蚀性等特点,在核技术领域得到大量应用,主要作为核燃料的包壳材料。2011年日本福岛核事故后,事故容错燃料(ATF)的开发成为研究热点,尤其着重提高包壳材料的抗高温氧化性,而在锆合金表面制备涂层是提高该能力的重要途径之一。评述了锆合金包壳表面涂层的种类、性能、制备方法及各种方法的特点与发展。指出激光熔覆、等离子喷涂和冷喷涂都有沉积速率快、涂层厚的特点,但涂层过厚将降低核燃料的中子经济性。激光熔覆和等离子喷涂制得的涂层内应力大,存在较多气孔甚至微裂纹。冷喷涂涂层的应力和气孔得到改善,但喷涂法都存在粉尘及噪声污染等问题。重点分析了磁控溅射法(MS)和电弧离子镀(AIP)两种物理气相沉积技术在包壳涂层制备中的应用现状、存在的问题及未来发展方向。指出磁控溅射法因沉积速率可控、涂层的内应力小及涂层组分可调整等优势而应用最广。电弧离子镀因涂层致密、结合力强而最具发展潜力。这为进一步促进锆合金表面涂层的制备与研究提供了参考。     

酸洗工艺对Zr-4合金微动磨蚀行为的影响

在高温高压水环境中对压水堆燃料包壳Zr-4合金开展了微动磨蚀试验.利用三维白光干涉仪、光学显微镜、扫描电镜、能谱等分析了微动磨蚀试验后试样的三维轮廓、表面形貌和化学成分.结果表明:酸洗和普洗Zr-4合金的磨蚀系数分别为6.26×10-16 Pa-1和3.3×10-16 Pa-1;Zr-4合金的损伤机制主要为黏着磨蚀损伤...     

锆合金表面Cr涂层的循环热冲击行为

为了研究锆合金表面 Cr 涂层的循环热冲击行为,使用自研的热冲击设备模拟循环热冲击环境,针对多弧离子镀技术制备的 Cr 涂层进行不同循环次数的热冲击试验。通过 X 射线衍射仪(XRD)和显微硬度计分别分析热冲击前后的物相变化和硬度变化,采用扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)探究 Cr 涂层的表面破坏行为。循环热冲击过程中,Cr 涂层生成的氧化层有“自愈”效果,可以有效阻挡 O 进入锆合金基体,同时诱发 Cr-Zr 中间层的非均匀扩散。大量 Cr 元素的内部扩散会促使 α-Zr(O)的生成。热冲击生成的裂纹大量分布于外部氧化层、非均匀扩散的中间层以及 α-Zr(O)层。经过 N=24 次循环热冲击后,残余的 Cr 涂层仍然可以有效保护锆合金基体,避免 Zr 与大量 O 反应。通过将锆合金表面 Cr 涂层的循环热冲击行为分为三个阶段,进一步揭示了循环热冲击作用下锆合金 Cr 涂层的组织结构和抗热冲击性能的演变规律。     

核燃料包壳锆合金表面铬涂层研究进展

锆合金凭借其较低的热中子吸收截面、优异的抗辐照性能以及良好的核燃料相容性等优点,被广泛应用于压水堆燃料包壳.福岛核事故后,表面铬涂层改性的锆合金成为耐事故包壳材料的重点研究方向之一,被认为是短期内最有可能投入商业应用的技术.综述了近年来核燃料包壳锆合金表面铬涂层的研究成果.介绍了铬涂层在事故条件下和正常工况条件下的性能优势,分析了其与锆合金基体在热性能上的匹配特性,重点对比了现有的铬涂层制备方法的优缺点,包括激光熔覆、喷涂、物理气相沉积等.其中激光熔覆和喷涂技术具有沉积速度较快、工艺条件相对简单的特点,但涂层厚度和粗糙度偏高,均匀性较差.物理气相沉积技术制得的涂层综合性能好,不足之处是涂层沉积速率较低,沉积过程需要高真空环境.兼顾高质量和低成本且适合商业化生产的包壳管表面铬涂层制备工艺仍有待于深入研究.归纳了铬涂层的高温氧化失效机制,提出在高温氧化过程中,涂层的分层、残余铬层的消耗以及锆元素沿铬晶界的扩散,是产生氧快速扩散通道并最终导致涂层失效的主要原因.最后指出了当前研究中存在的若干问题及其解决措施,为包壳锆合金表面铬涂层的进一步研究提供参考.     

高耐蚀性Zn—Cr—Fe族合金电镀工艺

概述了含有Cr和Fe族金属的高耐蚀性镀Zn钢板电镀工艺,其特征在于镀液中含有香草醛及其衍生物和阳离子聚合物作为Cr析出促进剂。     

不同电弧喷涂工艺对3Cr13钢涂层结合强度的影响

研究了喷涂电压、喷涂电流、表面预处理、预热、后热处理对电弧喷涂3Cr13钢涂层结合强度的影响.结果表明：电弧喷涂φ2 mm的3Cr13钢丝材的适宜电压、电流为28～35 V、170～180 A;喷砂处理是提高涂层与基体结合强度的最佳表面预处理工艺;采用合适的表面预处理、喷涂打底层、严格控制基体的热量输入是提高涂层结合强度的有效途径.     

Zr-4合金包壳管维氏硬度与强度关系研究

硬度反映了金属材料在局部范围内抵抗外物压入的能力,其与强度之间存在一定的内在联系。通过室温拉伸和维氏硬度试验,研究了不同状态Zr-4合金包壳管维氏硬度与强度之间的关系,通过最小二乘法建立了维氏硬度与抗拉强度、屈服强度之间的回归方程,分别为y_1=5.764x–544.215(R~2=0.997),y_2=5.743x–647.90(R~2=0.998）,并分析了回归方程的拟合效果。研究表明,Zr-4合金包壳管强度与维氏硬度的相关性极强,二者之间存在较强的正相关性。基于所建立的显微硬度与强度的回归方程,确定了Zr-4合金包壳管冷轧过程中维氏硬度与抗拉强度、屈服强度之间的关系。使用含有初始屈服应力的刚塑性指数硬化数学模型,建立了Zr-4合金包壳管皮尔格两辊冷轧工作锥强度与当量变形量之间的关系式,分别为σ_s=297.37+353.13ε_(Hz)~(0.34),σ_b=453.57+306.47ε_(Hz)~(0.44),相关系数分别为0.96和0.97。     

核燃料包壳锆合金表面涂层研究进展

锆合金表面涂层是提高核燃料包壳事故容错能力的重要途径之一。本文综述了锆合金表面涂层的研究进展,包括涂层种类、制备工艺、微观组织以及抗水蒸气氧化性能、耐腐蚀性能等,介绍了锆合金表面涂层种类选择的依据,探讨了涂层的制备工艺、微观组织与性能之间的关系,分析了当前研究中存在的若干问题及未来涂层的发展方向,为进一步促进核燃料包壳锆合金表面涂层的研究提供了有价值的参考。     

电弧喷涂工艺参数对铝镁合金涂层结合强度的影响

采用ZK400型超音速电弧喷涂设备,在Q235基体卜制备铝镁合金涂层.用正交试验方案对喷涂电压、喷涂电流、喷涂距离和压缩空气压力等工艺参数对涂层结合强度的影响进行研究.结果表明,空气压力对涂层结合强度影响最大,其次为喷涂距离,喷涂电压及电流影响较小.本试验条件下,最佳工艺参数为喷涂电压32V、喷涂电流180A、喷涂距离160mm、卒气压力0.75MPa.     

变形温度对核电用锆包壳管表面Cr涂层开裂行为的影响

Cr涂层能够有效提高核电反应堆锆包壳管的事故容错能力,但在高温下其内部可能会萌生裂纹导致涂层开裂失效,现有Cr涂层开裂行为研究多针对常温,因此研究不同温度下Cr涂层的开裂行为对于其应用具有重要的理论和工程价值。采用多弧离子镀技术在N36锆合金包壳管外表面制备厚度为14μm左右的Cr涂层,采用WDW-100C万能试验机对涂层管分别进行室温（25℃）与高温（100、200、300、400℃）拉伸试验,并通过超景深显微镜和扫描电镜（SEM）观察涂层的裂纹表面与截面形貌,对Cr涂层在不同温度下的开裂行为与开裂机理进行研究。结果表明,随着温度升高,涂层管的屈服强度从（400±5）MPa下降到（150±5）MPa,涂层管的总体塑性变化不大;室温下裂纹萌生于涂层内部,其开裂方式为脆性沿晶断裂;100℃时涂层开裂方式不变,但表面裂纹数量减少,裂纹尖端出现钝化,由V字形转变为U字形;随着温度进一步升高,涂层的塑性变形能力提高,其表面呈流线形塑性变形;200℃及以上温度下,涂层表面无明显开裂,仅出现少量微裂纹,塑性的升高导致拉伸过程中涂层的变形量与基体存在差异,裂纹开始萌生于界面处,其断裂方式也由脆性断裂...     

Cr涂层锆合金包壳高温蒸汽氧化动力学及微观机理研究

Cr涂层锆合金包壳具备抗高温蒸汽氧化性能优异、耐腐蚀和耐磨蚀性能良好、工程应用难度较小等特点,成为最具前景的近期型事故容错燃料候选材料之一。本工作以Zr-1Nb合金管为基体材料,采用磁控溅射工艺制备均匀致密Cr涂层,涂层厚度范围12～15μm。通过同步综合热分析仪开展双面高温蒸汽氧化试验,氧化温度为1000、1100和1200℃,氧化时间为300～5000s,系统研究反应堆事故工况下Cr涂层锆合金包壳高温蒸汽氧化行为。采用扫描电子显微镜、能谱仪和X射线衍射仪表征高温氧化产物膜微观形貌特征、氧化层厚度、元素分布以及物相组成等,建立Cr涂层氧化动力学模型,探讨高温氧化机理。研究表明,高温蒸汽环境中,Cr涂层锆合金包壳外壁形成致密Cr2O3层,有效阻止O元素扩散至Zr合金基体,从而提升复合包壳的耐高温性能。其次,Cr涂层高温蒸汽氧化动力学曲线遵循抛物线规律,氧化速率常数比锆合金低大约2个数量级,显著提升锆合金包壳抗高温蒸汽氧化性能。     

Nb离子注入对Zr-4合金耐蚀性能的影响

为了研究Nb离子注入对Zr-4合金电化学腐蚀性能的影响,对Zr-4合金试样表面进行不同剂量的Nb离子注入并测定其在1NH2SO4水溶液中的极化曲线,然后使用扫描电子显微镜(SEM)对极化实验后的试样表面形貌进行了观察。结果表明,Nb离子注入能够改善Zr-4合金的耐腐蚀性能,而且改善的程度与注入离子的剂量有关。同时使用X射线光电子能谱分析(XPS)对试样的表层成分和价态进行了分析,发现在注量为5×1016ion/cm2和1×1017ion/cm2的条件下,Nb和Zr在试样表层以Nb2O5和ZrO2的形式存在;而在注量为2×1017ion/cm2的条件下,则以Nb2O5,NbO和ZrO2的形式存在。     

Al含量对TiAlN涂层结合强度的影响

采用阴极电弧蒸发工艺在WC-6Co硬质合金表面制备Ti0.5Al0.5N、Ti0.45Al0.55N和Ti0.4Al0.6N涂层,采用声发射划痕仪测定涂层的结合强度。研究了Al含量对TiAlN涂层结合强度的影响及机理,并分析了TiAlN涂层的失效模式。结果表明,随Al含量增加,Ti1-xAlxN(x=0.5~0.6)涂层结合强度下降。TiAlN涂层结合强度受涂层残余应力与膜基硬度差的影响。Ti0.5Al0.5N涂层残余应力较小,且膜基差异性最小,结合强度最高。Ti0.5Al0.5N和Ti0.45Al0.55N涂层均为楔形剥落,Ti0.4Al0.6N涂层则为屈曲剥落。Al含量增加降低TiAlN涂层结合力,但有利于改善涂层韧性。Ti0.4Al0.6N涂层因含少量较软的h-Al N相,其韧性明显提高。     

添加Cu和Mn对Zr-4合金耐腐蚀性能的影响

在Zr-4合金中添加Cu和Mn,用非自耗真空电弧炉熔炼了成分不同的7种锆合金,用高压釜在360℃/18.6MPa/0.01 mol/L Li OH水溶液中和400℃/10.3 MPa过热蒸汽中进行长期腐蚀试验,与出厂退火态Zr-4样品和经过重熔加工的Zr-4样品的耐腐蚀性能进行了比较。结果表明:添加0.05%~0.18%的Cu或0.07%~0.35%的Mn,或同时添加0.08%Cu和0.09%Mn都可以明显改善合金在Li OH水溶液中的耐腐蚀性能,在腐蚀增重曲线上没有出现明显的转折,耐腐蚀性能明显优于Zr-4合金;但是添加Cu或Mn后却使合金在400℃过热蒸汽中的耐腐蚀性能变坏,影响的程度随着Cu或Mn含量的增加而增加,并且Mn的有害作用比Cu更明显。讨论了氧化膜生长各向异性特征与添加合金元素之间的关系,解释了添加Cu和Mn合金元素后对Zr-4合金耐腐蚀性能在不同腐蚀条件下产生不同影响的原因。     

火焰喷涂自润滑涂层结合强度研究

选用镍包石墨粉末,采用氧-乙炔焰喷涂技术制备镍包石墨自润滑涂层.通过正交试验优化设计方案,采用拉伸试验测定涂层的结合强度,找出了涂层结合强度较好时的最佳喷涂工艺参数:氧气压力0.5MPa、空气压力0.4MPa、乙炔气压力0.1 MPa、喷涂距离100mm.在该参数下火焰喷涂自润滑涂层结合强度为6.3MPa,符合自润滑涂层结合强度的要求.     

涂层结构对Cr2O3涂层组织和性能的影响

采用等离子喷涂技术制备了3种结构的Cr2O3陶瓷涂层，即双层涂层，3层涂层和5层梯度涂层。探讨了涂层结构对涂层组织、抗拉结合强度、抗热震性和耐磨损性能的影响。结果表明，在涂层总厚度相同的条件下，采用多层复合涂层可提高Cr2O3涂层的结合强度、耐磨性和抗热冲击性，其中，5层结构涂层的综合性能最佳。涂层微观组织观察和显微硬度测试结果发现，5层结构涂层从基体到陶瓷层，涂层成分逐渐变化，具有梯度材料的特征。试验表明采用等离子喷涂技术可以制备梯度涂层。