Zr- xNb- 0.15Fe- 0.05Cu- 0.05Ge合金在400 ℃/10.3 MPa过热蒸汽中的耐腐蚀性能

陈迪朋 张金龙 胡 洋 侯可可 姚美意 周邦新

(1.上海大学材料研究所，上海 200072；2.上海大学微结构重点实验室，上海 200444)

锆不仅有较低的热中子吸收截面(0.18b)、高熔点(1 852 ℃)、良好的与UO2的相容性，而且有较高的室温强度(276 MPa)和耐高温水腐蚀的性能，所以锆合金被广泛用作水冷核反应堆核燃料元件的包壳材料和燃料组件的结构材料。在反应堆运行时，锆合金包壳管服役工况恶劣，外表面与高温高压水(280～350 ℃，10～16 MPa)接触，并发生腐蚀生成ZrO2膜，锆合金包壳管有效厚度逐渐减小，同时还伴随着吸氢使包壳的力学性能降低，因此需要限制燃料元件包壳在服役期内的氧化膜厚度及其吸氢量，避免包壳在应力作用下破裂。所以锆合金包壳管的耐腐蚀性能直接关系着核电的经济性及安全性。

合金化是改善锆合金耐腐蚀性能的有效方法之一。添加Nb元素的ZIRLO[1- 2](Zr- 1Nb- 1Sn- 0.1Fe，质量分数，%，下同)和M5[3](Zr- 1Nb- 0.16O)合金的耐腐蚀性能都比Zr- 4合金(Zr- 1.5Sn- 0.2Fe- 0.1Cr)优良。Park等[4]研究表明，添加0.05%(质量分数,下同)Cu可以降低Zr- Nb合金在含Li和B的360 ℃水溶液中的腐蚀速率。本课题组[5]曾研究发现，添加Ge可以显著改善Zr- 4合金在360 ℃/18.6 MPa/0.01 M LiOH水溶液中的耐腐蚀性能。因此，在合金中固溶少量的Cu和Ge均能提高锆合金的耐腐蚀性能，而Nb含量以及Nb和Fe的不同配比对锆合金在不同水化学条件下的耐腐蚀性能均有较大影响。Nb、Fe和Cr等合金元素在α- Zr中的固溶度较低，通常以第二相的形式析出[6- 12]。本文以Zr- 1Nb- 0.15Fe合金为母合金，通过添加0.05%Cu和0.05%Ge，同时调整Nb和Fe的含量，研究了Nb含量对锆合金耐腐蚀性能的影响，并从氧化膜显微组织的演化角度初步探讨了其影响机制。……