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Fe+Cr及Si含量对Zr-4合金耐腐蚀性能的影响

岳慧芳 庞华 高博 高士鑫 罗倩倩 赵艳丽 蒋有荣

岳慧芳, 庞华, 高博, 高士鑫, 罗倩倩, 赵艳丽, 蒋有荣. Fe+Cr及Si含量对Zr-4合金耐腐蚀性能的影响[J]. 核动力工程, 2024, 45(3): 146-153. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.03.0146
引用本文: 岳慧芳, 庞华, 高博, 高士鑫, 罗倩倩, 赵艳丽, 蒋有荣. Fe+Cr及Si含量对Zr-4合金耐腐蚀性能的影响[J]. 核动力工程, 2024, 45(3): 146-153. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.03.0146
Yue Huifang, Pang Hua, Gao Bo, Gao Shixin, Luo Qianqian, Zhao Yanli, Jiang Yourong. Effect of Fe+Cr and Si Contents on Corrosion Resistance of Zircaloy-4[J]. Nuclear Power Engineering, 2024, 45(3): 146-153. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.03.0146
Citation: Yue Huifang, Pang Hua, Gao Bo, Gao Shixin, Luo Qianqian, Zhao Yanli, Jiang Yourong. Effect of Fe+Cr and Si Contents on Corrosion Resistance of Zircaloy-4[J]. Nuclear Power Engineering, 2024, 45(3): 146-153. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.03.0146

Fe+Cr及Si含量对Zr-4合金耐腐蚀性能的影响

doi: 10.13832/j.jnpe.2024.03.0146
详细信息
    作者简介:

    岳慧芳(1991—),女,硕士研究生,现主要从事核燃料材料设计与研究工作,E-mail: 1130005792@qq.com

  • 中图分类号: TL34

Effect of Fe+Cr and Si Contents on Corrosion Resistance of Zircaloy-4

  • 摘要: 为了优化国产Zr-4合金的耐腐蚀性能,在420℃、10.3 MPa的高温高压水蒸气加速腐蚀条件下,研究了合金元素Fe+Cr以及杂质元素Si对国产Zr-4合金耐腐蚀性能的影响。结果表明:在美国材料实验学会(ASTM)规定的Fe+Cr含量范围内(0.28 wt%~0.37 wt%,wt%表示质量分数),Fe+Cr含量越高,析出的第二相数目越多、尺寸越大,越有利于材料耐腐蚀性能提升。在420℃水蒸气中腐蚀126 d后,当Fe+Cr含量从0.28 wt%增加到0.37 wt%时,Zr-4合金的腐蚀增重降低约30%。Zr-4合金在1100℃淬火时,当Si含量低至10 mg/kg时,形成粗大的平行板条结构;而增加Si含量到100 mg/kg后,析出的细小Zr3Si为α相提供形核位置,使得组织中出现网篮结构和细小的平行板条结构。网篮结构能促使组织中第二相分布更均匀弥散,因此,高Si含量的Zr-4合金表现出更优良的耐腐蚀性能。

     

  • 图  1  不同Fe+Cr含量的Zr-4合金的典型微观组织图

    Figure  1.  Typical Microstructure of Zr-4 Alloys with Different Fe+Cr Content

    图  2  不同Fe+Cr含量的Zr-4合金的第二相直径及分布面积   

    Figure  2.  Second Phase Diameter and Area Fraction of Zr-4 Alloys with Different Fe+Cr Content

    图  3  Zr-4合金样品的TEM明场像及第二相P1、 P2、P3对应的SAED花样

    Figure  3.  TEM Bright Field Image of Zr-4 Sample and SAED Patterns of the Second Phase Particles P1, P2, P3

    图  4  不同Fe+Cr含量的Zr-4合金在420℃腐蚀后的增重及腐蚀126 d的表观形貌

    Figure  4.  Weight Gains and 126 Days of Corrosion Appearance of Zr-4 Alloys with Different Fe+Cr Content after Corrosion at 420℃

    图  5  锆合金第二相粒子平均直径与腐蚀速率的依赖关系[21]  

    Figure  5.  Dependence of Mean Diameter of Zircaloy Second Phase Particles on Corrosion Rate

    图  6  不同Si含量Zr-4合金淬火组织形态

    Figure  6.  Quenching Microstructure of Zr-4 Alloy with Different Si Content

    图  7  锆合金中β/β+硅化物物相转变图[22]

    Figure  7.  Phase Transition Diagram of β/β+silicide in Zircaloy

    图  8  Zr-4合金淬火组织的SEM图及EDS分析

    Figure  8.  SEM and EDS Analysis of Quenched Microstructure of Zr-4 Alloys

    图  9  不同Si含量Zr-4合金在420℃的腐蚀增重曲线

    Figure  9.  Corrosion Weight Gain Curves of Zr-4 Alloys with Different Si Contents at 420℃

    表  1  ASTM B811规定的Zr-4合金主要成分范围[16]

    Table  1.   Primary Element Range of Zr-4 Alloy Specified by ASTM B811[16]

    合金成分 Sn Fe+Cr C Si
    标准范围/wt% 1.2~1.7 0.28~0.37 <0.027 <0.012
      wt%表示质量分数
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    表  2  样品成分

    Table  2.   Composition of the Samples

    样品编号 Fe+Cr
    含量/wt%
    Fe/Cr
    比值
    C含量/
    (mg·kg−1)
    P含量/
    (mg·kg−1)
    Si含量/
    (mg·kg−1)
    样品1 0.28 2.1 150 <10 100
    样品2 0.32 1.9 150 <10 100
    样品3 0.37 2.1 150 <10 100
    样品4 0.32 1.9 30 <10 10
    样品5 0.32 1.9 30 <10 100
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    表  3  Zr-4合金样品中第二相P1、 P2、 P3的EDS分析(对应图3)

    Table  3.   EDS Analyses of Second Phase Particles P1, P2, P3 in the Zr-4 Sample (Corresponding to Fig. 3)

    第二相化学成分/at%
    ZrFeCrSnFe/Cr比值
    P147.2934.2218.240.251.88
    P245.5534.7619.470.221.79
    P351.3431.1717.380.111.79
      at%表示原子百分比
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-11-08
  • 修回日期:  2024-01-23
  • 刊出日期:  2024-06-13

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