ZR-Sn-M0-NB-Fe合金微觀組織結構與性能研究.pdf

1、鋯合金由于其具有較小的中子吸收截面，較好的力學性能、耐腐蝕性能和抗輻照性能，被廣泛應用于核反應堆結構材料。提高鋯合金的性能，包括力學性能，抗蠕變性能和耐腐蝕性能有利于提高核反應堆的安全性。Sn、Mo、Nb和Fe是鋯合金材料重要的添加元素，F(xiàn)e的存在有利于提高鋯合金的耐腐蝕性能，Mo可以提高鋯合金的抗蠕變性能。本項目擬研究Zr-Sn-Mo-Nb-Fe多元鋯合金組織與性能變化的關系。項目采用萬能拉伸試驗機、硬度計、納米壓痕測試儀、電化學工作

2、站和透射電子顯微鏡(TEM)等儀器研究Zr-1.0Sn-xMo-1.0Nb-0.1Fe(x=0.2，0.4，0.6，0.8，wt.％）和Zr-1.0Sn-0.5Mo-1.0Nb-yFe(y=0.1，0.3，0.5，0.8，wt.％）系列鋯合金力學性能、抗蠕變性能、耐腐蝕性能和微觀組織結構隨著Mo和Fe含量的變化關系。作為揭示合金相變規(guī)律(Zr-Sn-Mo-Nb-Fe五元合金相圖)研究工作的一部分，項目還利用X射線衍射儀(XRD)、掃描電

3、子顯微鏡(SEM)和能譜儀(EDS）等儀器研究了(Zr-2.0Sn)-Nb-Fe偽三元體系富(Zr-2.0Sn)區(qū)700℃等溫截面。上述工作獲得以下重要的研究成果:
　　(1)研究了隨著Mo含量變化的Zr-1.0Sn-xMo-1.0Nb-0.1Fe(x=0.2，0.4，0.6，0.8，wt.％）合金的相關性能。在力學性能方面，Mo含量為0.4wt.％的鋯合金，屈服強度和抗拉強度分別為722.1MPa和867.3MPa，其強度最高，

4、塑性為33.0％，僅次于Mo含量為0.8wt.％的鋯合金，其塑性為37.4％。隨著Mo含量的增加，鋯合金的硬度整體呈增加趨勢，楊氏模量呈下降趨勢。隨著Mo含量的增加，鋯合金的抗蠕變性能增加;Mo含量為0.8wt.％時，抗蠕變性能最好，利用納米壓痕法測試發(fā)現(xiàn)，該鋯合金在加載載荷為40mN時，蠕變應力指數(shù)達到3.8，高于純鋯的蠕變應力指數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，蠕變應力指數(shù)也隨著最大加載載荷的增加而增加，但合金蠕變性能的變化趨勢不變。在耐腐蝕性能方面，

5、Mo的添加可以在一定程度上提高鋯合金的耐腐蝕性能，利用失重法測出Mo的添加量為0.2wt.％的鋯合金，其腐蝕速率僅為0.002mg·cm-2·h-1，電化學測試結果表明該合金的腐蝕電流密度為4.68×10-5mA·cm-2，其阻抗為2118.36Ω·cm2。三組實驗均表明當Mo的添加量為0.2wt.％時，鋯合金的耐腐蝕性能最好。
　　(2)研究了隨著Fe含量變化的Zr-1.0Sn-0.5Mo-1.0Nb-yFe(y=0.1，0.3

6、，0.5，0.8，wt.％）合金的相關性能。在力學性能方面，當Fe的添加量為0.5wt.％時，鋯合金的屈服強度、抗拉強度和塑性分別為681.1MPa，814.6MPa和30.2％，強度達到最大和塑性最好。隨著Fe含量的增加，硬度整體趨勢在增加，楊氏模量呈現(xiàn)一個下降的趨勢，其中硬度和楊氏模量均隨著加載載荷的增加而增加。在抗蠕變性能方面，隨著Fe含量的增加，鋯合金的抗蠕變性能先增加后減小，其中Fe含量為0.1wt.％時，抗蠕變性能最好，其蠕

7、變應力指數(shù)在加載載荷為40mN時達到3.5，小于純鋯和其他Fe含量的鋯合金。在耐腐蝕性能方面，F(xiàn)e的添加可以在一定程度上提高鋯合金的耐腐蝕性能，F(xiàn)e含量為0.1wt.％時，利用失重法得出的腐蝕速率為0.033mg·cm-2·h-1，電化學測試得出的腐蝕電流密度為1.80×10-5mA·cm-2，阻抗為1636.84Ω·cm2。三個研究結果均表明Fe含量為0.1wt.％的鋯合金耐腐蝕性能最好，隨著Fe含量的增加耐腐蝕性能變差。
　　

8、(3)建立了(Zr-2.0Sn)-Nb-Fe偽三元體系富(Zr-2.0Sn)區(qū)700℃等溫截面相圖。確定(Zr-2.0Sn)-Nb-Fe偽三元體系700℃等溫截面在富(Zr-2.0Sn)區(qū)域由1個單相區(qū)、8個兩相區(qū)、8個三相區(qū)和3個四相區(qū)組成。研究發(fā)現(xiàn)，(Zr-2.0Sn)-Nb-Fe偽三元體系富(Zr-2.0Sn)區(qū)存在(α-Zr)+(β-Zr)+(ZrNb)2Fe+θ,Zr2Fe+Zr(NbFe)2+(ZrNb)2Fe+θ和Zr(N