Cr涂层锆合金包壳高温蒸汽氧化动力学及微观机理

作     者：廖业宏 彭振驯 严俊 王占伟 李思功 任啟森 Liao Yehong;Peng Zhenxun;Yan Jun;Wang Zhanwei;Li Sigong;Ren Qisen

作者机构：中广核研究院有限公司核燃料与材料研究所广东深圳518000 核电站高安全性事故容错燃料技术工程实验室广东深圳518000 

出 版 物：《稀有金属材料与工程》 (Rare Metal Materials and Engineering)

年 卷 期：2023年第52卷第1期

页      面：291-299页

核心收录：

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0703[理学-化学] 

主　　题：磁控溅射 Cr涂层锆合金包壳 高温蒸汽氧化 氧化速率常数 氧化机理 

摘      要：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300~5000 s,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。