锆合金高频感应氧化陶瓷膜的制备及性能研究

摘要

锆合金具有良好的力学性能和耐腐蚀性能，抗中子辐照能力强，同时锆合金具有中子吸收截面积小、导热性能好等优点，常被用作核燃料的包壳材料。随着核电技术的发展，核能工作者对核燃料包壳材料的耐腐蚀性、耐磨性提出了更高的要求，因此，对锆合金包壳管进行表面陶瓷化处理，以提高其耐腐蚀性、耐磨性已成为发展趋势。 高频感应氧化技术是一种新型表面处理技术，与其它表面处理技术相比其具有能耗小、效率高、成本低、作业环境好等优点，是锆合金包壳表面处理的理想选择。本课题研究了高频感应氧化处理温度、处理介质、处理时间等因素对氧化膜性能的影响，并建立了氧化动力学模型；同时对氧化膜厚度对包壳导热系数的影响进行了探索性研究。 通过研究发现，在520～600℃的温度范围内进行高频感应氧化处理可获得具有优良耐腐蚀性能的ZrO2陶瓷膜，同时发现在活性氧中获得氧化锆膜层的厚度，结构致密性、均匀性以及与锆合金基体的结合力等性能均比在干空气中获得的好，并且在此温度范围内，随着温度的升高，膜层生长速度、显微硬度都有显著增加。研究发现在600℃下，3～20min时间范围内，氧化膜厚度δ和处理时间τ之间存在立方关系：(δ＋0.1)3 = 4.72τ，当处理时间在20～60min范围内时，存在线性关系：δ＝1.433＋0.145τ。 通过对包壳管导热系数的检测发现，ZrO2陶瓷膜作为热障层对包壳管导热性能有显著影响，包壳管导热系数λ与氧化膜厚度δ存在以下关系：λ＝0.21-0.019δ，即氧化膜每增厚1μm，包壳管的导热系数会降低0.019 W·cm-1·K-1，包壳的导热能力显著降低。 与阳极氧化、微等离子体氧化和高压釜预生膜等技术相比，高频感应氧化技术所得膜层的耐腐蚀性能更加优良，是一种理想的包壳管防护技术。