添加Mg和Bi对锆合金耐腐蚀性能影响的规律和机理研究

锆合金是水冷核反应堆中燃料元件的包壳材料。开发出具有我国自主知识产权的高性能锆合金材料，对摆脱目前锆合金材料完全依赖进口的局面和提高核电经济性有现实而深远的意义。初步研究结果表明添加Mg和Bi对纯锆和Zr-1Nb合金的耐腐蚀性能有改善作用，但没有进行深入研究，也未见有这两种元素对Zr-Sn-Nb系合金耐腐蚀性能影响的报道。本项目选用我国具有应用前景的Zr-Sn-Nb系合金为母合金，配制添加不同含量Mg和Bi的对比合金，研究Mg和Bi对Zr-Sn-Nb系合金显微组织和耐腐蚀性能的影响；配制与含Mg和Bi第二相粒子成分相同的试验合金，研究其腐蚀行为和腐蚀产物；研究锆合金腐蚀后生成氧化膜的显微组织，特别是Mg和Bi对氧化膜显微组织结构演化的影响；最终认识Mg和Bi影响Zr-Sn-Nb合金耐腐蚀性能的规律和机理，为开发具有我国自主知识产权的新锆合金提供合金元素选择和热加工制度制定的实验和理论依据。

锆合金是水冷核反应堆中燃料元件的包壳材料。在现有合金成分基础上添加其它合金元素是开发优良耐腐蚀性能锆合金的有效途径。本项目选用Zr-4 (Zr-1.2~1.5Sn-0.2Fe-0.1Cr)、Zr-Sn-Nb系S5(Zr-0.8Sn-0.35Nb-0.4Fe-0.1Cr)和 T5(Zr-0.7Sn-1.07Nb-0.32Fe-0.08Cr) 、Zr-1Nb共5种合金为母合金，在其成分基础上添加0.05%～0.5%Bi制备成含Bi合金，研究了这些合金的显微组织和在不同腐蚀条件下的腐蚀行为，以及氧化膜的显微组织。.研究结果表明：添加Bi对不同体系锆合金耐腐蚀性能的影响是非常复杂的，与合金中已经存在的其它合金元素密切相关，也与腐蚀水化学条件密切相关。（1）添加0.1%～0.5%Bi会明显恶化Zr-4合金在400℃/10.3 MPa过热蒸汽中的耐腐蚀性能，并随着Bi含量的增加，恶化趋势越明显；但添加Bi对Zr-4合金在360℃/18.6 MPa/0.01 M LiOH水溶液中耐腐蚀性能的影响却取决于Sn含量和加工工艺。（2）添加0.1%～0.5%Bi能改善S5合金在400℃过热蒸汽中的耐腐蚀性能，只是随着Bi含量的增加，改善作用减弱；而添加Bi对S5合金在360℃ LiOH水溶液中的耐腐蚀性能影响不大。（3）添加0.1%～0.5%Bi对T5合金在400℃/10.3 MPa过热蒸汽和360℃LiOH水溶液中的耐腐蚀性能影响都不大。（4）在Zr-1Nb+xBi合金中，添加0.05%～0.3%Bi能改善Zr-1Nb合金在400℃过热蒸汽、360℃/18.6 MPa去离子水和 LiOH水溶液中的耐腐蚀性能，并随着Bi含量的增加，改善作用越显著。Bi的添加促进了Zr-4、S5和T5母合金中原来固溶在α-Zr基体中的Sn以第二相形式析出；随着Nb含量的增加，固溶在α-Zr基体的Bi含量增大。当有较多的Bi固溶在α-Zr基体中时对锆合金的耐腐蚀性能有改善作用，但当Bi以第二相形式析出时则会降低锆合金的耐腐蚀性能。从氧化膜显微组织结构演化的角度探讨了Bi对不同体系锆合金耐腐蚀性能的影响机理。