金属学报

作者：俞强, 徐诗彤, 张佳楠, 姚美意, 胡丽娟, 谢耀平, 周邦新

单位：上海大学 材料研究所 上海 200072

关键词：锆合金,失水事故,高温氧化,显微组织,

基金：国家自然科学基金项目(51871141)

在发生失水事故(LOCA)过程中，锆合金包壳可能会暴露于空气和蒸汽的混合气氛中发生高温氧化，进而失去其结构完整性，威胁到核反应堆的安全，因此锆合金在高温空气/蒸汽混合气氛中的氧化行为是一个值得深入研究的问题。本工作熔炼并制备了Zr-0.75Sn-0.35Fe-0.15Cr-xNb (x = 0、0.15、0.30、0.50、1.0，质量分数，%)合金板状样品。采用同步热分析仪研究了5种锆合金在模拟LOCA工况下800~1200 ℃的20%空气+ 80%蒸汽混合气氛中的氧化行为，利用OM、SEM和配置波谱仪的电子探针显微分析仪分析了氧化样品横截面的显微组织和N、O元素分布。结果表明，Nb含量对锆合金高温氧化行为的影响非常复杂，锆合金抗高温氧化性能并不随Nb含量的变化呈单一变化规律，总体上添加Nb会使Zr-0.75Sn-0.35Fe-0.15Cr合金的抗高温氧化性能降低。5种锆合金的氧化动力学曲线大多遵循抛物线-直线或直线规律，随氧化温度升高和Nb含量增加而发生改变，并且在1000和1200 ℃发生氧化转折。在高温蒸汽中含有空气时会由于O2和N2的存在明显加速锆合金的氧化，其中N对锆合金的氧化起到类似“催化”作用；ZrN的形成和再氧化促进了疏松多孔氧化物的生成，导致氧化膜的保护作用减弱。在氧化过程中，Nb含量变化会影响锆合金基体的α↔β和氧化膜单斜(m)↔四方(t)的复杂相变过程。此外，Nb有增大O在α-Zr中固溶的趋势，并且Nb的氧化促进氧化膜的开裂，对锆合金抗氧化性能产生不利影响；另一方面，Nb含量的增加又会降低阴离子空位浓度，Nb与O结合也会阻碍O的扩散，对锆合金的抗氧化性能起到改善作用。

来源：2025年第11期

《金属学报》期刊编辑部

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