鋯合金表面耐腐蝕涂層研究現(xiàn)狀

嚴(yán)艷芹， 邱長軍， 黃鶴

（南華大學(xué)機械工程學(xué)院，湖南衡陽 421001）

0 引言

核能作為世界上公認(rèn)的清潔能源，有高效、安全和經(jīng)濟的特點，是緩解當(dāng)前水資源和煤電短缺的重要資源。鋯合金因熱中子吸收截面小,力學(xué)性能及耐腐蝕性能優(yōu)良而作為核電站反應(yīng)堆元件的包殼材料及其它堆內(nèi)材料。為了降低核反應(yīng)堆循環(huán)成本、延長設(shè)計使用壽期、提高熱循環(huán)效率及降低壓水堆冷卻劑溫度[1-2]，對鋯合金的耐腐蝕及抗高溫氧化性能提出了更高的要求。鋯合金表面改性可賦予鋯合金在工作介質(zhì)中耐高溫、防腐蝕、耐磨損、抗疲勞、防輻射、導(dǎo)電、導(dǎo)磁等各種特性，對提高鋯合金可靠性，延長核反應(yīng)堆使用壽命具有很大的經(jīng)濟意義和推廣價值。

鋯合金表面涂層是提高抗高溫氧化腐蝕性能的有效措施。熱障涂層、MCrAlY包覆涂層、鋁化物涂層、改進(jìn)的鋁化物涂層等是改善鋯合金抗高溫氧化腐蝕性能主要的幾種涂層，這些涂層往往比鋯合金基體有著更優(yōu)越的性能，其中包括塑性、韌性、硬度、耐腐蝕性、抗腐蝕性等。

1 熱障涂層

熱障涂層是一層陶瓷涂層，它沉積在耐高溫金屬或超合金的表面，熱障涂層對于基底材料起到隔熱作用，降低基底溫度，因而制成的器件能在高溫下運行。

鋯合金在核反應(yīng)堆內(nèi)高溫、高壓水環(huán)境下易與水蒸氣發(fā)生反應(yīng)Zr+2H2O=ZrO2+2H2↑，產(chǎn)生的氫氣在高溫環(huán)境中容易引發(fā)“氫爆”，造成核安全事故，而陶瓷涂層高強度、高硬度、耐磨損、耐高溫、抗氧化、抗腐蝕和化學(xué)性能穩(wěn)定等特性可解決上述狀況。例如碳化硅陶瓷涂層，具有耐高溫、耐腐蝕和優(yōu)良的核反應(yīng)堆內(nèi)性能，在鋯合金表面沉積SiC涂層可有效隔絕水與鋯包殼管在堆內(nèi)環(huán)境下吸氫和腐蝕。王美玲等[3]在鋯合金表面制備碳化硅涂層，涂層與基體緊密結(jié)合，界面沒有空洞和裂紋，涂層顆粒細(xì)小均勻，電化學(xué)腐蝕實驗表明碳化硅涂層明顯改善了鋯合金的耐腐蝕性能。鋯包殼管綜合性能的提高取決于涂層的抗高溫氧化、腐蝕、高溫結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和涂層表面致密、孔隙率低及涂層基體良好的結(jié)合性能、熱膨脹系數(shù)相匹配等性能[4-5]。文獻(xiàn)[6]在鋯合金表面制備Ti3SiC2和Ti2AlC涂層，并在1100～1300℃范圍內(nèi)進(jìn)行抗氧化實驗。在高溫氧化過程中，涂層中Si、Al元素與基體進(jìn)行互擴散形成Zr-Si、Zr-Al等金屬間化合物，涂層與基體的結(jié)合強度顯著提高，涂層具有優(yōu)良的抗高溫氧化效果。文獻(xiàn)[7]為提高鋯包殼管在核反應(yīng)堆環(huán)境下的抗高溫氧化及腐蝕性能，在鋯合金表面制備硅和鉻涂層。涂層中硅元素在高溫下形成的玻璃形態(tài)SiO2填補了涂層中孔隙，增加了鋯合金基材與涂層之間的結(jié)合強度，降低了氧及腐蝕液進(jìn)入涂層速率，大大提高了鋯合金耐蝕性能。

2 MCrAlY包覆涂層

MCrAlY包覆涂層成分可按要求控制，且兼顧腐蝕性與力學(xué)性能，另外，涂層對基體合金力學(xué)性能影響較小，涂層較厚等特點[8]。MCrAlY涂層，其中M為Fe、Ni、Co以及它們的組合等元素。

MCrAlX包覆涂層中大量的鉻元素在氧化過程中形成MCr2O4尖晶石結(jié)構(gòu)氧化物等強阻擋層，使涂層具有優(yōu)良的抗高溫氧化、耐熱腐蝕等性能。A12O3和Cr2O3通常被認(rèn)為是防護(hù)效果較好的兩種膜層。當(dāng)溫度升高達(dá)到1000℃時，Cr2O3氧化成揮化性的CrO3,失去保護(hù)性能，因此高溫下，涂層要求能生成連續(xù)完整的A12O3膜。核反應(yīng)堆高溫、高壓蒸汽環(huán)境中，包殼管主要破壞形式為高溫氧化及熱腐蝕，因此要求包殼管涂層中含Cr量較高。涂層中的Al元素主要以A12O3形式存在。但Al含量過高會導(dǎo)致涂層脆性增大，延性-脆性轉(zhuǎn)變溫度高等缺陷，過低則不能形成連續(xù)致密的氧化膜，涂層抗氧化性能得不到明顯提高。合金中加入活性元素是為了提高氧化膜的黏附性，改善其氧化性能和腐蝕性能?；钚栽豗、Ce、La等在合金中的溶解度很低，加入過多時會在晶界處偏聚，降低其抗高溫氧化和熱腐蝕性能。利用磁控濺射在鋯合金表面沉積原子比不同的4種FeCrAl涂層（Fe/Cr/Al=53/29/18 at%，62/4/34 at%，71/7/22 at%，86/10/4 at%），涂層厚度為0.3～1 μm，在700℃進(jìn)行高溫蒸汽實驗，并與未涂層鋯合金試樣進(jìn)行對比。氧化增重數(shù)據(jù)顯示前三種涂層對鋯合金的抗高溫氧化及腐蝕性能有顯著的提升，而Fe/Cr/Al原子比為86/10/4 at%的涂層試樣,因Cr、Al含量相對較低，氧化嚴(yán)重。FeCrAl涂層試樣在高壓釜（模擬沸水反應(yīng)堆環(huán)境）實驗20 d膜層依然完好，在1100℃的高溫蒸汽中，由于FeCrAl涂層中Fe元素與基材鋯合金形成了Fe-Zr共晶相導(dǎo)致了涂層的完整性被破壞[9]。

3 鋁化物涂層

鋁化物涂層工藝簡單、性能穩(wěn)定、成本低，可滿足一般的性能要求等特點，具有優(yōu)異的抗高溫氧化和硫化性能。在鋯合金表面滲鋁，隨著鋁含量的不同，鋁元素與鋯基體形成多種共晶化合物（如圖1），其中一些共晶化合物（如Zr-Al相）能大幅度提高鋯合金的抗高溫氧化腐蝕性能，自20世紀(jì)中期以來鋁化物涂層在抗高溫氧化方面被大量研究應(yīng)用。

圖1 Al-Zr合金相圖

鋁化物涂層雖具有上述優(yōu)點，但涂層和基體之間的元素互擴散導(dǎo)致涂層退化現(xiàn)象嚴(yán)重，成分不能按要求控制，抗熱腐蝕性能不足，對基材力學(xué)性能影響大。A12O3膜在高溫環(huán)境服役時很容易從合金表面剝離，涂層中的鋁消耗很快，導(dǎo)致抗氧化能力的喪失。高溫氧化過程中Al涂層中的Al因向基體擴散而逐漸貧化，涂層的熱穩(wěn)定性隨之降低。為改善鋁化物涂層耐腐蝕性能，在鋁化物涂層中加入Cr、Si、Ti、Pt等元素可解決上述鋁化物涂層的不足[10]。

滲鋁層在高溫氧化過程中鋁元素與氧結(jié)合形成連續(xù)致密的α-Al2O3保護(hù)膜，可將合金抗氧化溫度提高約200℃。利用反應(yīng)非平衡磁控濺射制備鋁含量不同的（CrxAll-x）N復(fù)合涂層。結(jié)果表明，CrN中AlN的最高含量為77.2%。CrAIN薄膜中AIN的含量為75%時涂層的相結(jié)構(gòu)將由B1（即NaCI結(jié)構(gòu)）轉(zhuǎn)變?yōu)锽4（六方）結(jié)構(gòu)。隨著鋁含量的逐漸增加,薄膜結(jié)構(gòu)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎浇Y(jié)構(gòu),擇優(yōu)取向為（111）方向。涂層硬度隨之增加,從18 GPa到30 GPa,當(dāng)鋁含量超過某一臨界值時,硬度值緩慢下降。鋁元素的注入,使得（CrxAl1-x）N薄膜的耐磨性能得到了極大提高，其耐磨性是CrN涂層的近6倍。（CrxAl1-x）N涂層其抗氧化溫度達(dá)到了900℃，具有極好的高溫抗氧化性能[11]。

文獻(xiàn)［12］簡述了鉻鋁涂層中鉻含量對涂層的抗高溫氧化性能的影響，Al-Cr涂層加入Cr使涂層內(nèi)富含鉻形成擴散層，減少鋁的二次擴散，固溶在β-MAX相的Cr可以防止β在快冷時發(fā)生的馬氏體轉(zhuǎn)變，Cr元素的存在會降低Al氧化形成A12O3的臨界含量，從而能顯著提高涂層的高溫抗氧化耐腐蝕性能[13-15]。當(dāng)Al-Cr涂層中Cr的含量過低時,Cr固溶于涂層中,既不能有效地抑制基體界面Cr的偏析,又增加了涂層的微觀缺陷,導(dǎo)致抗氧化性能不理想。Al-Cr涂層中適量的Cr可以抑制基體中的Cr在基體表面偏析,阻止基體向不穩(wěn)定相的轉(zhuǎn)變,涂層的抗氧化性能隨之顯著地提高。采用磁控濺射在鋯合金表面制備AlCr涂層，結(jié)構(gòu)平坦、組織致密,顆粒細(xì)小，氧化膜均勻，高溫下Al元素形成的Al2O3氧化膜致密堅固,不具有揮發(fā)性，Cr2O3氧化膜與Al2O3氧化膜的緊密結(jié)合提高了鋯合金在反應(yīng)堆中的高溫抗氧化性能[16]。改進(jìn)的鋁化物涂層，既保留了鋁化物涂層優(yōu)異的抗高溫氧化性能，同時Cr加入形成的連續(xù)致密的Cr2O3具有顯著耐高溫腐蝕作用，阻礙了鋯合金的腐蝕氧化。在Zr-4合金表面利用多弧離子鍍制備2～4μm的TiAlN和AlCrN涂層，涂層表面均勻，無明顯缺陷，涂層與鋯合金結(jié)合緊密，Ti、Al、Cr高溫氧化過程中分別與氧結(jié)合形成的氧化物對鋯合金高溫耐腐蝕及氧化起到了阻礙作用[17]。文獻(xiàn)［18］采用冷噴涂技術(shù)在Zr-4合金表面制備Ti2AlC涂層，在700℃氧化60 min，并與基體對比發(fā)現(xiàn)，Ti2AlC涂層表面形成了Al2O3等連續(xù)致密的氧化膜，阻礙了涂層內(nèi)部及基材氧化，涂層鋯基合金氧化速率顯著降低。

4 展望及建議

多種單質(zhì)元素的加入可顯著改善合金使用性能，為添加多種物理性能相差較大元素來提高綜合性能涂層的制備提供了思路；在鋯合金表面制備含有某些單質(zhì)元素的涂層，涂層進(jìn)行原位反應(yīng)是提高鋯合金基材抗高溫氧化腐蝕性能應(yīng)重點研究的方案。單質(zhì)元素比合金元素在原位反應(yīng)中更易與鋯合金基材形成穩(wěn)定新相，對涂層抗高溫氧化及熱腐蝕具有重要的研究意義。多種元素涂層在高溫條件下某些元素選擇性氧化，生成一層致密氧化膜阻擋氧、氫、硫等破壞性，元素進(jìn)入到涂層和基體可有效隔絕鋯合金在水環(huán)境下的腐蝕和吸氫，延長反應(yīng)堆包殼材料的使用壽命，同時減少嚴(yán)重事故的發(fā)生，對延長燃料壽命、增加堆芯的安全性具有重要意義。

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