隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和現(xiàn)代科技的迅猛發(fā)展,核能的開發(fā)和利用日益受到關(guān)注。相對于火電,核電是一種經(jīng)濟(jì)、安全、可靠、清潔的新能源,但其帶來的核電安全問題也是不容忽視的。
由于鋯合金的機(jī)械性能優(yōu)異,耐腐蝕性能良好,目前大多數(shù)核反應(yīng)堆選用鋯合金作為核燃料包殼管材料。在過去的幾十年中,鋯合金已經(jīng)發(fā)展為三大系列,即Zr-Nb、Zr-Sn和Zr-Sn-Nb。在這三個系列的基礎(chǔ)上,添加Fe、Cr、Ni、Cu等合金金屬后,形成了工業(yè)化的Zircaloy-2(Zr-2)、Zircaloy-4(Zr-4)等鋯合金。Zr-2和Zr-4合金均已商業(yè)化,Zr-2的合金成分為Zr-1.5Sn-0.15Fe-0.1Cr-0.05Ni, Zr-4的合金成分為Zr-1.5Sn-0.2Fe-0.1Cr,由于Ni的添加會造成鋯合金吸氫,引發(fā)氫脆,故研究者們降低了Ni的含量,增加Fe的含量以彌補(bǔ)Ni減小引起的鋯合金力學(xué)性能的不足,以此發(fā)展了一種新的鋯合金Zr-4。Zr-4被稱為核電用第一代鋯合金,廣泛用于輕水堆燃料的包殼材料。
2011年日本福島核電事故的發(fā)生,使得研究者們對鋯合金包殼材料提出了更高的要求,根據(jù)美國管理委員會(Nuclear Regulatory Commission,簡稱NRC)對核電包殼材料的標(biāo)準(zhǔn),包殼材料的最高耐受溫度為2200°F(1204°C)。因此作為核電包殼材料,需要滿足耐高溫水蒸氣氧化性能,當(dāng)冷卻劑缺失時,可以降低包殼材料的熱量和氫氣的釋放量,為事故搶修爭取時間。
為了解決這個問題,國內(nèi)外很多研究者對鋯合金的表面防護(hù)涂層進(jìn)行了大量研究,具體的涂層包括Cr基涂層、MAX涂層、Fe基涂層等。其中Cr基涂層的耐腐蝕性最佳,抗氧化能力優(yōu)異,且金屬Cr與鋯合金的熱膨脹系數(shù)相匹配,被認(rèn)為是最有發(fā)展前景的鋯合金表面防護(hù)涂層。
本文利用耐馳同步熱分析儀STA 449F3研究了Cr基涂層在1200°C水蒸氣條件下對Zr-4合金基底的抗氧化性能,并與Zr-4合金基底進(jìn)行了比較。
儀器:Netzsch STA 449F3
圖1是Cr coated Zr-4 合金和Zr-4 合金基體在1200°C高溫水蒸氣(絕對水蒸氣濃度90%)條件下,恒溫1h的TG對比曲線。氧化TG曲線顯示,涂層鋯合金(Cr coated Zr-4 合金)經(jīng)1200°C高溫水蒸氣氧化1h,其質(zhì)量增重百分?jǐn)?shù)約為12.30%,而Zr-4合金基體在相同氧化條件下的質(zhì)量增重百分?jǐn)?shù)約為16.79%。在氧化性能的測試中,氧化增重速率是衡量材料氧化的一項重要指標(biāo)。從圖1可知, Zr-4合金基體的氧化增重速率明顯快于Cr涂層鋯合金的氧化增重速率,即Cr涂層鋯合金的高溫抗氧化性能明顯優(yōu)于Zr-4合金基體。
圖1 Cr coated Zr-4 合金和Zr-4 合金基體在1200°C高溫水蒸氣(絕對水蒸氣濃度90%)條件下,恒溫1h的TG對比曲線
圖2 高溫水蒸氣氧化處理后的Cr coated Zr-4 合金和Zr-4 合金基體的形貌圖。(第一行:Zr-4 合金基體;第二行:Cr coated Zr-4 合金;從左到右分別是樣品的頂部、側(cè)面、底部)
通過STA高溫水蒸氣氧化實驗,評判了涂層鋯合金(Cr coated Zr-4 合金)對鋯合金基底的防護(hù)效果。耐馳同步熱分析儀擁有豐富的配置,可以通過STA來模擬樣品在實際使用環(huán)境下的性能,可研究對應(yīng)溫度、氣氛、濕度等因素對材料性能的影響。
作者
盛沈俊
耐馳儀器公司應(yīng)用實驗室
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