High-temperature oxidation behavior of Nb67-xW15Si18Hfx(X=0.5 and 10) alloys

钛合金使用温度1. 引言钛合金是一种重要的结构材料，具有优异的力学性能和化学稳定性。

在各个领域中广泛应用，如航空航天、汽车、医疗器械等。

其中，钛合金的使用温度是一个关键因素，决定了其在不同环境下的应用范围和性能表现。

2. 钛合金的热稳定性钛合金具有较高的熔点和良好的热稳定性。

一般情况下，纯钛的熔点约为1668℃，而常用的钛合金则在1300℃以上才开始熔化。

这种高熔点使得钛合金能够在高温环境下保持较好的力学性能和化学稳定性。

3. 钛合金的高温强度在高温条件下，材料的强度通常会降低。

然而，钛合金具有较高的高温强度，在500℃以下仍然可以保持良好的力学性能。

这使得钛合金成为一种适用于高温工作环境下的理想材料。

4. 钛合金的高温氧化行为钛合金在高温下容易发生氧化反应。

当钛合金表面与氧气接触时，会形成一层致密的钛氧化物膜，起到保护基体材料的作用。

这种氧化膜可以防止进一步的氧化反应，从而提高钛合金的耐热性能。

5. 钛合金的高温应用由于钛合金具有良好的高温性能，因此在很多领域中得到了广泛应用。

5.1 航空航天领域航空航天领域对材料的要求非常严格，需要能够在极端温度条件下保持良好性能的材料。

钛合金由于其优异的高温强度和热稳定性，在飞机发动机、涡轮叶片等部件中得到了广泛应用。

5.2 汽车领域汽车引擎工作时会产生较高的温度，因此需要使用能够承受高温环境的材料。

钛合金由于其良好的耐热性能，在汽车发动机排气系统、涡轮增压器等部件中得到了应用。

5.3 医疗器械领域医疗器械通常需要在高温灭菌条件下进行消毒，因此需要使用能够耐受高温的材料。

钛合金由于其高温稳定性和生物相容性，在医疗器械制造中得到了广泛应用，如人工关节、牙科种植等。

6. 钛合金的低温性能除了在高温环境下的应用，钛合金也具有良好的低温性能。

它在低温下仍然保持较高的强度和韧性，因此被广泛应用于液氧推进器、超导磁体等领域。

7. 结论钛合金是一种重要的结构材料，在各个领域中得到了广泛应用。

高温合金方面的经典著作在高温合金领域，有一些经典的著作对该领域的发展和研究产生了重要影响。

以下是其中一些著名的著作："High-Temperature Ordered Intermetallic Alloys"（高温有序金属间化合物合金）：这本书是由Yoshihide Watanabe和Masaharu Yamaguchi等人合著的，于1991年出版。

该书系统地介绍了高温有序金属间化合物合金的研究进展、合金设计原则和性能特点。

"Superalloys: A Technical Guide"（超级合金：技术指南）：这本书是由Eric S. Huron 和David N. Duhl等人合著的，于1984年出版。

该书详细介绍了超级合金的组成、制备、性能和应用领域，是该领域的经典参考书之一。

"High-Temperature Oxidation and Corrosion of Metals"（金属的高温氧化和腐蚀）：这本书是由David John Young合著的，于2008年出版。

该书系统地介绍了金属在高温下的氧化和腐蚀行为，包括机理、影响因素和防护措施等内容。

"High-Temperature Corrosion and Materials Chemistry"（高温腐蚀和材料化学）：这本书是由Inga A. Bergstrom和David G. Pettifor等人合著的，于2008年出版。

该书综合了高温腐蚀和材料化学的知识，探讨了高温环境下材料的腐蚀机理和材料设计原则。

这些经典著作在高温合金领域提供了重要的理论基础和实践指导，对于研究人员和工程师在高温环境下材料的选择、设计和应用具有重要的参考价值。

2009年 3月郑州大学学报(工学版)Mar 1　2009第30卷　第1期Journal of Zhengzhou University (Engineering Science )Vol 130　No 11 收稿日期:2008-09-15;修订日期:2008-10-30 基金项目:教育部全国优秀博士学位论文作者专项资金资助项目(200233);武汉钢铁公司科研计划资助项目. 作者简介:黄亚敏(1983-),女,湖北武汉人,硕博连读研究生,主要从事材料显微组织与性能关系研究.通讯联系人:潘春旭,E -mail:cxpan@whu .edu .cn 文章编号:1671-6833(2009)01-0053-04奥氏体不锈钢超高温氧化失效机理研究黄亚敏1,吴佑明2,潘春旭1(1.武汉大学物理科学与技术学院,湖北武汉430072;2.武汉钢铁公司金属结构公司,湖北武汉430081)摘　要:利用电子显微镜和能谱等现代分析仪器,系统研究了Y US701型高Cr -N i 奥氏体不锈钢在1200℃超高温腐蚀介质环境下长期服役过程中的氧化腐蚀特征及失效机理.研究结果表明:不锈钢表面氧化膜具有多膜层结构,氧化环境及基体-氧化层界面处的元素分布和扩散对氧化膜的结构与性能有重要影响;氧化膜的失效行为主要表现为氧化层中裂纹的产生和不致密氧化层的剥落.关键词:奥氏体不锈钢;超高温;氧化膜;失效机理中图分类号:TG 172.82 文献标识码:A0　引言合金Fe -Cr -N i 奥氏体不锈钢长期服役于冶金、化工、电力和航天等运行条件苛刻的环境中,长期以来对奥氏体不锈钢在不同高温氧化介质中氧化膜的生长行为[1-5]以及氧化膜失效分析[6-8]方面的研究受到国内外很大的重视.一般认为,不锈钢表面形成的氧化膜主要成分为Cr 2O 3,这种氧化反应具有选择性特征,消耗不锈钢基体表面Cr 元素,并使基体内部Cr 元素不断向表面扩散.随着氧化反应持续进行,氧化膜的生长符合抛物线规律[9],并主要受温度的影响;同时为了保证氧化膜的稳定形成,氧化膜—基体界面处的Cr 元素含量的质量分数不能低于13±1%[10].研究发现,当氧化温度逐渐升高,Cr 2O 3氧化膜变得不稳定开始分解,使得基体内部Fe 、N i 等其它金属离子向氧化膜层扩散,并引起氧化膜出现裂纹并产生剥落现象.发生氧化膜剥落的基体表面重新暴露于腐蚀介质环境中,将再次生成Cr 2O 3氧化保护膜,Cr 元素对氧化膜再修复及防止不锈钢氧化失效起到了重要作用[11-12].H.E .Evance 等人[13]提出,氧化膜的失效属于化学失效,即发生失稳氧化现象.在超高温下(>1100℃),因氧化膜—基体界面处Cr 含量低于氧化平衡时所需含量而导致内部化学失效.在一般高温下(600～950℃),主要是由于基体表面局部氧化膜脱落产生的损伤进而引起的机械化学失效.到目前为止,有关氧化膜失效的研究大多集中在950℃以下,很少有报道实际超高温下氧化膜的失效研究.奥氏体不锈钢ROF 内罩是一种热处理保护设备,需要长期在650～1200℃的高温和H 2+N 2气氛中运行,要求具有相当高的高温持久强度和耐腐蚀、抗氧化能力.因此选用的材料必须具有很高的抗高温氧化性能.作者通过对ROF 内罩外壁表面氧化皮的显微结构和化学成分观测,深入分析了高温氧化膜的形成及其脱落机理.1　实验材料与方法实验样品直接从已服役141个周期(约8年)失效报废的ROF 内罩上取样,材料为Y US701(25Cr -13N i -2Si -0.8Mo -0.25N )型奥氏体不锈钢,化学成分及力学性能见表1.ROF 内罩的服役条件:650℃保温17h,1200℃保温27h,运行周期为150h,内罩外部处于以煤气为燃烧介质的炉膛,内罩内保护气为H 2∶N 2=3∶1;罩内气体压力250kPa,罩外压力25kPa,内罩裙部插入炉台的白硅砂内密封.扫描电镜(SE M )样品制备及观察:在ROF 内罩外壁截取原始块状试样,观察沿氧化皮至合金基体方向的纵截面.观察在日立S2570型扫描电镜(SE M )上进行,加速电压为20k V.微区化学成54　郑州大学学报(工学版)2009年表1　材料化学成分及力学性能Tab .1　Chem i ca l co m positi on s of the ma ter i a ls牌号化学成分的质量分数/%C Si Mn P S N iCr Mo N σb /MPa Y US7010.1162.4632.1650.0320.02613.6024.200.8560.250≥690分测量在Phili p s 公司E DAXP V 9100/70能谱仪(EDS )上进行.2　实验结果与讨论在实际应用中,奥氏体不锈钢ROF 内罩的失效报废的原因主要是由于材料的脆化和强度的降低所导致变形等.从外观上看,表面的氧化程度并不十分严重,但是材料的厚度会有明显的减薄现象.图1(a )为奥氏体不锈钢ROF 内罩外壁与煤气燃烧介质接触表面的氧化腐蚀层的SE M 形貌特征.宏观上看,表面有一个已经失效即将脱落的氧化层,接下来为一个约1mm 以上的分布有大量氧化腐蚀坑的过渡层,腐蚀坑随距表面越远数量减少.在高倍下观察(图1(b )),氧化膜具有明显的多膜层结构,即:最外面为疏松的,即将剥落的氧化失效层;与基体表面相连的是一个颗粒过渡层;特别要注意的是,在疏松氧化皮与颗粒层之间有一个相对致密的,宽度只有几微米的“夹层”.氧化膜下面是一个有大量腐蚀坑的基体,其中在奥氏体晶界上的腐蚀坑要大一些,并且有析出物析出和沿晶开裂的特征.图1　氧化膜层结构SE M 形貌图F i g .1　SE M m orphology of the f il m l ayersi n the ox i da ti on sca le EDS 化学成分测量显示(图2,表2),外层疏松的氧化皮除含Cr 元素外,还含有大量的Fe 和N i 元素.而紧接着的“夹层”中几乎没有Fe 和N i 元素(其中的Si 可能来自于颗粒成分),说明它是一个纯的Cr 2O 3氧化物层;过渡层中的小颗粒主要含Si 和O 元素,表明其为Si O 2颗粒.另外,基体中晶界上的析出物含有将近各占50%的Cr 和Fe 元素,N i 含量很低,它可能是σ(CrFe )相.图2　氧化皮各膜层元素分布图F i g .2　The ele m en t d istr i buti on character isti csi n the ox i da ti on sca le表2　氧化皮各膜层化学成分质量分数Tab .2　The che m i ca l co m positi on i n the sca leaccord i n g to the F i g .2%膜层O Si Cr Fe N i 基体D —1.3720.5764.0114.06颗粒过渡层B 42.6753.03—1.752.49致密“夹层”A 40.406.9750.572.06—外表疏松层C33.490.5525.9622.4917.51 一般认为,高温下生成保护膜的氧化反应与合金元素与氧元素的亲和力有关.图3是金属氧势图,表示了不同温度下金属元素发生氧化所需的氧压[14].可以看出Si 较Cr 更易与O 结合形成氧化物.作者所用的Y US701型奥氏体不锈钢材料,其在材料设计时加入了较多的Si (>2%),也是为了提高其抗高温氧化性能的目的.其基本的原理是:首先在材料表面形成一层Si O 2氧化层,然后再生成Cr 2O 3氧化层,这种紧密的双层膜能有效地起到将金属与气体基体表面生介质隔离的阻挡层作用,从而起到抗高温氧化的作用.在高温长期服役过程中,氧化膜的进一步长　第1期黄亚敏等　奥氏体不锈钢超高温氧化失效机理研究55　大需要反应物质经由氧化膜扩散传质来实现,主要是基体表面的Cr 离子通过膜层向外扩散,在膜的表面被氧化,膜的生长区域在膜的表面,而外界氧离子由于在膜层中扩散系数较小很难向金属内部扩散,氧化膜的电子-离子机理示意图(图4).氧化膜—基体界面处的元素分布及扩散对氧化膜的结构与性能有直接影响,晶界作为缺陷区域,为离子向外扩散提供了有利途径.在图2中测到氧化皮中含有一定量的Fe 和N i 元素,这是由于在长期超高温作用下,金属内部的铁、镍离子也将向外扩散,在致密的Cr 2O 3外层再形成一层以Cr 2O 3为主并含有Fe 、N i 的氧化物或其混合氧化物的厚膜层,即多膜层结构. 与一般的950℃高温服役相比,本实验中的1200℃超高温服役条件,对奥氏体不锈钢的氧化腐蚀程度和晶粒长大有更明显的作用.由于ROF 内罩在实际运行过程中,每个周期中的不同时间的温度是不断变化的.由于氧化膜内部是双膜层结构,在冷热变化时,具有较低线性热膨胀系数的Si O 2层(a ～0.5×10-6K -1)与Cr 2O 3层(a～8.5×10-6K -1)和基体表面(a ～17.8×10-6K -1)[10]之间更易集中大量热能和压缩应力.在压应力作用下,膜与基体局部发生非接触区域,氧化膜产生塑性变形,起皱形成空泡进而开裂导致氧化膜剥落.同时可以发现,氧化剥离还将穿透Si O 2层在Si O 2层—Cr 2O 3层界面处形成.但由于Si O 2层相对于Cr 2O 3层与基体的热膨胀系数差更大,所以剥离裂纹主要发生在基体—Si O 2层界面处.温度越高,界面处差异越大,氧化膜受损剥落也越严重,基体表面将形成较大的氧化腐蚀坑.这种循环的温度变化,导致氧化皮的不断脱落,最后造成材料厚度的不断减少.失去氧化膜保护的基体表面再次暴露于氧化环境中,抗氧化性下降,使得基体中的Fe 、N i 离子快速向外扩散,在基体表面和新修复的Cr 2O 3氧化层中形成Fe 、N i 的氧化物.如表2所示,氧化膜层尤其是外表疏松层中,Fe 、N i 元素含量迅速升高,其含量与Cr 元素含量几乎相当,说明氧化膜外层中含有大量的脆性氧化物.随着Cr 2O 3外层不断增厚产生一定应力,不同氧化物具有pB 值不同,在应力作用下膜层内将产生剥离裂纹导致外层氧化膜疏松剥落.这种剥离腐蚀易在Cr 2O 3层中Cr 含量少的地方优先发生,如图1(b )中箭头所指沿晶裂纹处,此处Cr 2O 3氧化层不致密,Fe 、N i 离子更容易聚集形成氧化物.氧化膜在超高温下虽呈剥离腐蚀特征,但其内部双层膜仍较致密,具有较好的热稳定性.氧化膜的这种优异热保护作用,使基体材料具有良好的高温持久抗氧化性能.同时由于Y US701型奥氏体不锈钢基体,其原始晶粒细小,组织均匀,因而经氧化后长大的晶粒组织并没有发生异常粗化的现象,如图1(a )所示.均匀分布的基体组织使得其内部金属元素向外扩散,在基体表面形成氧化膜时也较均匀,从而增强氧化膜的致密性.基体失效形式主要为沿晶腐蚀,这是由于不锈钢基体原始组织为奥氏体基体上分布有残余δ铁素体,在高温作用下δ铁素体将完全转化为s (FeCr )相[15],析出的s (FeCr )脆性相分布在晶界上并导致大量沿晶裂纹的形成.沿晶裂纹等缺陷为金属离子向外扩散提供更多途径,加剧了氧化膜的腐蚀失效速度,当金属离子逐渐向外扩散时,将在基体表面附近留下大量腐蚀气坑,降低其脆性和强度.不断加深的氧化反应消耗掉了基体内部大量Cr 元素,当Cr 含量值低于一定氧化平衡值时,氧化膜无法再形成和修复,材料将失去高温抗氧化性和高温耐腐蚀性.3　结论(1)奥氏体不锈钢基体表面形成的氧化膜具56　郑州大学学报(工学版)2009年有多膜层结构,氧化环境及氧化膜—基体界面处的元素分布和扩散对氧化膜的结构与性能有直接影响.(2)与950℃以下的常规高温服役相比,高合金Fe-Cr-N i奥氏体不锈钢在1200℃超高温运行中的氧化腐蚀程度加剧,呈严重剥离状腐蚀;氧化膜的失效行为主要表现为氧化层中裂纹的产生和不致密氧化层的脱落.参考文献:[1]　PRAG NE LL W M,E VANS H E.Chr om iu m dep leti onat2-di m ensi onal features during the selective oxida2ti on of a20Cr-25N i austenitic steel[J].Oxidati on ofM etal,2006,66:209-230.[2]　NORL I N G R,NY LUND A.The influence of te mpera2ture on oxide-scale f or mati on during er osi on-corr o2si o[J].Oxidati on of Metal,2005,63:87-111. [3]　DUNN I N G J S,ALMAN D E,RAW ERS J C.I nflu2ence of silicon and alu m inu m additi ons on the oxidati onresistance of a lean-chr om iu m Stainless Steel[J].Oxidati on ofM etal,2002,57:409-425.[4]　CHE VAL I ER S,LARP I N J P.For mati on of per ovskitetype phases during the high te mperature oxidati on ofstainless steels coated with reactive ele ment oxides[J].Acta Materialia,2002,50:3105-3114.[5]　HUNTZ A M,RECK MANN A,HAUT C,et al.Oxi2dati on of A I SI304and A I SI439stainless steels[J].M aterials Science and Engineering,2007,447:266-276.[6]　T ORK AR M,G ODEC M,LAMUTM.O rigin of flakeson stainless steel heater[J].Engineering Failure A2nalysis,2007,14:1218-1223.[7]　OSGERBY S,FRY A T.Steam oxidati on resisitanceof selected austenitic steels[J].Materials Science Fo2ru m,2004,(461-464):1023-1030.[8]　PEREZ F J,PE DRAZ A F,S ANZ C et al.Effect ofther mal cycling on the high te mperature oxidati on re2sistance of austenitic A I SI309S stainless steel[J].Materials and Corr osi on,2002,53:231-238.[9]　L I T F.H igh-te mperature Oxidati on and Heat Corr o2si on of Metal[M].Beijing:Che m ical I ndustry Press,2003.139-147.[10]BAUER R,BACCALARO M,JE URGE NS L P H.Oxidati on behavi or of Fe-25Cr-20N i-2.8Si duringis other mal oxidati on at1,286K;life-ti m e p redicti on[J].Oxidati on ofM etal,2008,69:265-285.[11]LOBB R C,E VANS H E.An evaluati on of the effectof surface chr om iu m concentrati on on the oxidati on ofa stainless steel[J].Corr osi on Science,1983,23:55-73.[12]LOBB R C,E VANS H E.A deter m inati on of the chr o2m iu m concentrati on f or‘healing’layer f or mati on dur2ing the oxidati on of chr om iu m-dep leted20Cr-25N i-Nb stainless steel[J].Corr osi on Science,1984,24:385-388.[13]E VANS H E,DONALDS ON A T,GI L MOUR T C.M echanis m s of breaka way oxidati on and app licati on t oa chr om ia-for m ing steel[J].Oxidati on of M etal,1999,52:379-402.[14]THOLE NCE F,NORE LL M.H igh te mperature corr o2si on of cast all oys in exhaust envir on ments.II-Caststainless steels[J].Oxidati on of Metal,2008,69:37-62.[15]FE NG R H,P AN C X,Y ANG S B,et al.Failurecharacteristic and mechanis m of the austenitic stain2less steel ROF internal cover[J].Journal of W uhanTrans portati on University,2000,24:622-626.O x i da ti on M echan is m of Austen iti c St a i n less Steel Dur i n g Super H i gh Te mpera ture Serv i ceHUANG Ya-m in1,WU You-m ing2,P AN Chun-xu1(1.Depart m ent of Physics,W uhan University,W uhan430072,China;2.Metal Structure L i m ited Company,W uhan Ir on& Steel Gr oup Company,W uhan430081,China)Abstract:The oxidati on corr osi on characteristic and failure mechanis m of a high Cr-N i austenitic stainless steel serving at1200℃with corr osi on envir on ment were analyzed using scanning electr on m icr oscope(SE M) and energy-dis persive X-ray s pectr oscopy(EDS).The results indicate that the scale on the stainless steel substrate surface consisted of poly-fil m layers,depending on the oxidati on envir onment,and the ele ments distributi on and diffusi on at the scale/substrate interface.The for mati on of cracks in the scale and the fall off of the non-compact scale are the main p r oble m at the failure behavi or of stainless steel oxidati on scale.Key words:austenitic stainless steel;super high te mperature;oxidati on scale;failure behavi or。

氮化钛高温氧化行程曲线氮化钛高温氧化行程曲线分析及其应用探究一、引言氮化钛是一种具有优异性能的材料，其在高温氧化环境下的行为一直备受人们的关注和深入研究。

本文将围绕氮化钛高温氧化行程曲线展开研究，通过对该曲线的深入探讨，探索氮化钛高温氧化的机制与特性，旨在为相关领域的研究提供有价值的参考和启示。

二、氮化钛高温氧化的行程曲线氮化钛高温氧化行程曲线是描述氮化钛在高温氧化过程中的演变变化。

通常，该曲线可以分为以下几个阶段：1. 初始阶段在氮化钛高温氧化的初始阶段，材料表面会形成一层致密的氮化物层，其主要由TiN组成。

这一阶段的特点是氧化速度较慢，且氮化物层较薄。

2. 快速增长阶段经过初始阶段，氮化钛高温氧化进入快速增长阶段。

在这一阶段，氧化速度呈指数增长，且形成的氧化物层逐渐增厚。

氮化物层逐渐转变为氧化物层，主要由TiO2组成。

3. 减缓阶段快速增长阶段后，氮化钛高温氧化进入减缓阶段。

在减缓阶段中，氧化速度逐渐减慢，但氧化物层仍在不断增厚。

这一阶段的特点是氧化速度趋于稳定。

4. 稳定阶段稳定阶段是氮化钛高温氧化的最后阶段，氧化速度基本保持不变，形成的氧化物层厚度趋于稳定。

氮化钛在此阶段表现出良好的高温氧化抗性特性。

三、氮化钛高温氧化机制与特性1. 氮化钛高温氧化的机制氮化钛高温氧化的机制与其晶体结构和化学组成密切相关。

在高温氧化过程中，氧气与氮化钛表面发生反应，形成氧化物层。

由于氮化钛的晶体结构稳定性和气体扩散性质的影响，氧化物层逐渐形成并增厚。

2. 氮化钛高温氧化的特性氮化钛高温氧化具有一些独特的特性。

氮化钛通过高温氧化可以获得一层致密而良好附着性的氧化物层，从而提高了其耐高温氧化性能。

氮化钛氧化过程中的行程曲线显示出明显的阶段性变化，这为深入研究氮化钛高温氧化提供了参考和依据。

氮化钛高温氧化所形成的氧化物层还具有一定程度的抗腐蚀性能和电学性能，可应用于各种领域。

四、对氮化钛高温氧化的个人观点和理解个人认为，氮化钛高温氧化行程曲线的研究对于深入理解氮化钛材料的性能及其应用具有重要的意义。

表面技术第52卷第12期研究综述Cr涂层锆合金事故容错燃料包壳材料研究进展严俊，廖业宏，彭振驯，王占伟，李思功，马海滨，薛佳祥，任啟森（中广核研究院有限公司 核燃料与材料研究所，广东 深圳 518000）摘要：自2011年日本福岛核事故后，事故容错燃料成为核电企业和相关科研机构的研究重点，旨在提升反应堆燃料系统的可靠性与安全性。

锆合金包壳表面涂层技术是事故容错燃料研发的短期目标之一，其中，Cr涂层锆合金包壳为当前的主要技术路线。

围绕涂层制备工艺、微观组织以及关键服役性能三方面，对Cr 涂层锆合金的相关研究进展进行了综述。

首先，对比介绍了锆合金表面金属Cr涂层制备工艺及其特点，涵盖了物理气相沉积、冷喷涂和3D激光熔覆等技术，同步介绍了国际核电巨头所采用的制备工艺及相关研发进展。

其次，简单阐述了Cr涂层微观组织特征，重点阐述了正常运行工况下Cr涂层锆合金高温高压水腐蚀性能、高温高压水微动磨蚀性能、高温力学行为和辐照行为，以及事故工况下该材料体系高温内压爆破行为、高温蒸气氧化-淬火行为等，并同步针对其微观辐照机制、高温氧化/腐蚀机制等进行了归纳和深入分析。

最后，对当前研究所存在的问题和未来发展方向进行了归纳分析。

关键词：事故容错燃料；Cr涂层锆合金；腐蚀；氧化；力学性能中图分类号：TG174.4 文献标识码：A 文章编号：1001-3660(2023)12-0206-19DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2023.12.019Review on Cr-coated Zirconium Alloy Cladding for Accident Tolerant FuelYAN Jun, LIAO Ye-hong, PENG Zhen-xun, WANG Zhan-wei,LI Si-gong, MA Hai-bin, XUE Jia-xiang, REN Qi-sen(Institute of Nuclear Fuel and Materials, China Nuclear Power Technology Research Institute,Guangdong Shenzhen 518000, China)ABSTRACT: After the Fukushima nuclear accident in Japan in 2011, accident tolerant fuels (ATF) have become the research focus of nuclear power enterprises and related scientific research institutions, which aims to improve the reliability and safety of the nuclear reactors. The surface-modified Zr alloy cladding is a short-term goal for research and development of ATF and the Cr-coated Zr alloy cladding has become the current main technical route. Focusing on the preparation techniques, microstructural characteristics, and critical service performance, the related research of Cr-coated Zr alloy cladding was reviewed. Firstly, the various preparation techniques and characteristics of Cr coating on zirconium alloy surface were compared and introduced, including physical vapor deposition, cold spraying, and 3D laser and the preparation techniques and related research and development progress adopted by international nuclear power giants were introduced at the same time. Secondly, the microstructure of Cr coating was described and the corrosion performance, fretting and abrasion performance, high temperature收稿日期：2022-11-24；修订日期：2023-03-21Received：2022-11-24；Revised：2023-03-21基金项目：国家重点研发计划（2017YFB0702404）Fund：National Key Research and Development Program (2017YFB0702404)引文格式：严俊, 廖业宏, 彭振驯, 等. Cr涂层锆合金事故容错燃料包壳材料研究进展[J]. 表面技术, 2023, 52(12): 206-224.YAN Jun, LIAO Ye-hong, PENG Zhen-xun, et al. Review on Cr-coated Zirconium Alloy Cladding for Accident Tolerant Fuel[J]. Surface第52卷第12期严俊，等：Cr涂层锆合金事故容错燃料包壳材料研究进展·207·mechanical behavior and irradiation behavior of Cr-coated Zr alloy under normal operating conditions were emphatically expounded. Moreover, the internal pressure creep and burst behavior at high temperature, high-temperature steam oxidation and quenching behavior the Cr-coated Zr alloy cladding were elaborated. In addition, the mechanisms related with irradiation, oxidation, and corrosion were summarized and analyzed in depth. Finally, the existing problems and the future development directions for the current research were thoroughly summarized and prospected.KEY WORDS: ATF; Cr-coated Zr alloy; corrosion; oxidation; mechanical properties锆合金因具备热中子吸收截面小、耐高温水腐蚀性能优异、力学性能良好等特有的综合性能，被广泛用作反应堆核燃料包壳材料[1-10]。

不同致密度M oSi2材料在700～1200℃的氧化行为颜建辉1,2,张厚安13,李益民2(1.湖南科技大学机电工程学院,湖南湘潭411201;2.中南大学粉末冶金国家重点实验室,湖南长沙410083)摘要:利用热重分析法,SE M和X射线技术研究了不同致密度的M oS i2材料在700～1200℃的循环氧化行为。

研究结果表明:氧化480h后,不同致密度的M oS i2材料均未发生“粉化”现象,致密度和“粉化”现象无本质关系。

低致密度(85.0%)M oS i2材料氧化动力学在初始和后续阶段基本上都呈直线形,而高致密度的材料氧化动力学遵守抛物线规律。

致密度为85.0%的M oS i2材料在700～1200℃之间氧化时,氧化温度越高,材料氧化增重逐渐减少;而致密度为90.2%和94.8%的M oS i2材料在700～1000℃之间,随温度升高,材料增重越多,而在1200℃氧化时,增重最小。

关键词:M oS i2;致密度;氧化行为中图分类号:TG146.4 文献标识码:A 文章编号:0258-7076(2007)01-0018-04 M oSi2作为最有前途之一的高温结构材料,其抗氧化性能的研究具有重要意义。

1955年Fitzer[1]首次发现M oSi2的“粉化”转变,即M oSi2在400～600℃氧化时会由块状变为粉末,引起材料灾难性的毁坏,其原因归于氧化形成的M oO3的挥发性使SiO2保护膜不连续和松散。

Meschter[2]则认为在500℃氧化速率比低于或高于此温度时要快得多,且主要线性地依赖于时间,“粉化”现象并不是M oSi2的本质特征,坯块中的孔隙和裂纹可能导致了“粉化”现象的发生。

近年来,国内外学者对M oSi2及其复合材料的低温氧化行为做过大量的研究工作,认为M oSi2的抗氧化性与环境温度、材料成分、材料致密度、组织缺陷及环境气氛有着很重要的关系[3～9]。

但对不同致密度的M oSi2材料在700～1200℃的高温氧化行为研究还很少。

高熵合金的结构调控及储能研究1.高熵合金是一种由五种或更多组元组成的合金材料。

High-entropy alloy is an alloy material composed of five or more elements.2.高熵合金具有优异的力学性能和耐高温性能。

High-entropy alloys have excellent mechanical properties and high temperature resistance.3.结构调控是改善高熵合金性能的关键。

Structural control is the key to improving the performance of high-entropy alloys.4.通过合金元素的选择和比例调控，可以实现高熵合金的微观结构调控。

By controlling the selection and proportion of alloy elements, the microstructure of high-entropy alloys can be controlled.5.增强高熵合金的微观结构均匀性可以提高其力学性能。

Enhancing the microstructure homogeneity of high-entropy alloys can improve their mechanical properties.6.调控高熵合金的晶格缺陷可以提高其热稳定性。

Controlling the lattice defects of high-entropy alloys can improve their thermal stability.7.高熵合金可以作为储能材料，用于制备高性能的储能器件。

High-entropy alloys can be used as energy storage materials to prepare high-performance energy storage devices.8.通过合金化和微观结构调控，可以实现高熵合金的储能性能优化。

锆-4合金高温高压水蒸气氧化行为王志武;宋涛【摘要】Oxidation behavior of the zircaloy-4 at 330, 400 and 500 ℃ and high-pressure water vapor was investigated by discontinuous weighing method. The composition and phases of oxidation films were also analyzed. The results indicate that oxidation dynamic curve obeys parabolic law at all testing temperatures. The oxidation film is nucleated at ravine position, and then covers the surface gradually; the second oxidation film appears as slice-sharp. t-ZrO2 and m-ZrO2 are two main phases in the oxidation films. Oxides rich in metal atoms and lack of oxygen atoms appear at lower temperature due to short supply of oxygen.%利用不连续称重法测定锆-4合金于330,400和500℃高温高压水蒸气氧化动力学曲线,并对氧化膜成分和物相进行分析.研究结果表明:实验温度下氧化动力学曲线符合yn=Kt+C的抛物线规律;氧化膜在沟壑位置形核逐渐覆盖表面,第2层氧化膜以片状开始出现;氧化物主要是t-ZrO2和m-ZrO2 2种,低温时由于氧原子供应不足导致金属原子富余氧原子缺失的氧化物出现.【期刊名称】《中南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2013(044)002【总页数】5页(P515-519)【关键词】锆-4合金;高温高压水蒸气氧化;动力学曲线;t-ZrO2;m-ZrO2【作者】王志武;宋涛【作者单位】武汉大学动力与机械学院,湖北武汉,730072;武汉大学动力与机械学院,湖北武汉,730072【正文语种】中文【中图分类】TG174.1锆-4合金是核电站中压水堆燃料棒包壳管重要用材，最高使用温度340 ℃，工作压力不超过16 MPa，起着防止放射性物质泄漏到一回路水中的作用[1-3]。

５０材料丁程／２００９年１２期ｌ实验方法实验基材为Ｔｉ一２４Ａ１—１７Ｎ卜ｏ．５Ｍｏ（原子分数／％）。

合金尺寸为１５ｍｍ×１０ｍｍ×２．５ｍｍ。

样品用６００‘砂纸打磨，用丙酮超声波清洗。

利用ＳＢＨ一５１１５Ｄ磁控溅射仪在合金基体上沉积Ｔｉ一４８Ａｌ一８Ｃｒ一２Ａｇ涂层，沉积参数和涂层的结构组织与文献［１３］中相同。

热腐蚀采用浸盐法，实验温度为９００℃。

盐的成分为２５％Ｎａ２Ｓ０。

＋７５％Ｋ２Ｓ（）。

（质量分数，下同）。

将样品完全浸于熔盐中，每隔一定时间取出，空冷至室温，用沸水煮去试样表面的盐，在灵敏度为１０１ｇ的天平上称量后换新盐继续实验。

利用带能谱的扫描电镜（ＳＥＭ／ＥＤＸ），透射电镜（ＴＥＭ）对腐蚀膜进行观察分析。

电化学腐蚀在Ｎａ：Ｓ０。

（２５９／Ｌ）＋Ｋ：Ｓ０。

（７５９／Ｌ）溶液中进行，主要利用Ｃｓ３００型电化学工作站进行动电位扫描，体系选用三电极系统，将样品作为工作电极，参比电极选用甘汞电极、铂黑电极作为辅助电极，极化范围相对开路电位±ｏ．２Ｖ，扫描速度ｏ．５ｍＶ／ｓ。

２结果和分析图１是Ｔｉ。

Ａ１合金及其涂层样品在２５％Ｎａ。

Ｓ０。

＋７５％Ｋ：Ｓ０。

９００℃熔盐中腐蚀的动力学曲线。

Ｔｉ。

Ａ１合金在初始阶段快速增重，但在５ｈ后有明显的腐蚀失重现象，在３０～５０ｈ期间，仍然有腐蚀失蕈，但失重的速度在减缓。

这可能是因为最初合金表面形成腐蚀膜，５ｈ后腐蚀膜达到一定厚度开始剥落，致使动力学曲线出现明显的失重现象，这与后面的ＳＥＭ图像相吻合。

之后失重速度减缓，可能足因为在剥落的同时内层暴露出来又生成新腐蚀物的缘故。

当施加涂层的样品在相同条件下进行腐蚀对比实验，没有任何失重现象，而曲线呈现相对比较平滑缓慢的上升趋势。

图２是Ｔｉ３Ａｌ合金在２５％Ｎａ２Ｓ（）４＋７５％Ｋ２Ｓ（）４图１试样在２５％Ｎａ２ＳＯ＾＋７５％Ｋ２Ｓ０４熔盐巾９００℃的腐蚀动力学曲线Ｆｉｇ．１Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎｋｉｎｅｔｉｃｓｏｆｔｈｅａｌｌｏｙａｎｄｔｈｅｃｏａｔｉｎｇｉｎｍｏｌｔｅｎ（Ｎａ，Ｋ）２ＳＯ｛ａｔ９００℃９００℃熔盐中腐蚀５ｈ的表面形貌，经过５ｈ的腐蚀后，表面发生大面积脱落，此现象正好与动力学曲线相吻合。