液态金属锆与铸型材料界面反应研究

针对快速发展的核电、化工行业对无污染层优质锆铸件的需求，本项目拟用浇注法对液态金属锆与多种铸型材料的界面反应进行研究。采用多种检测和分析手段等对液态锆与多种铸型材料的反应层的成分分布、显微结构及形貌进行研究。讨论界面反应层特性与液态锆及铸型材料微观结构、化学活性之间的关系，并从热力学及动力学角度对上述关系进行计算分析，探讨反应层的形成机理及影响因素。通过该项目的研究，积累锆合金与铸型材料相互作用的相关数据，总结各种材料反应层的形成规律，为锆合金铸型材料的选择和铸型工艺的制定提供基础数据和技术支持。.本项目首次对液态金属锆与铸型材料界面相互作用进行研究，对我国处于起步阶段的锆合金铸件研发工作具有借鉴作用，可为未来我国核电设备自主研发提供有力支持。

锆合金具有极其优异的耐蚀性，对核燃料有良好的相容性，在化工制药、核电站、医疗等领域有着重要而广泛的应用，被誉为“21世纪最有发展前途的材料之一”。锆合金作为活泼金属，在铸造时对铸型材料的稳定性有较高的要求，选用普通耐火材料作为铸型时会严重污染锆液，影响铸件的表面质量。对于活泼金属与铸型的界面反应，国内外的研究主要集中于钛合金，而对于锆合金的相关报道很少，因此研究锆合金与铸型材料的界面反应，探究界面反应规律，对锆合金铸造工艺有重要的指导作用。. 经过分析比较，选择氧化钇、氧化锆、氧化铝三种耐火材料并采用熔模铸造方法制备了铸型，选择石墨并采用机械加工方法制备了铸型，在真空自耗电极电弧凝壳炉中浇铸出了锆合金试样。运用XRD、EDS、SEM等检测方法分析了铸型材料与锆试样的界面反应情况。分析结果表明，四种铸型材料中的元素均不同程度的污染了锆试样表面，并形成了新的物相。氧化铝型壳与锆液的反应最为剧烈，在锆试样表层形成了一层与基体性质完全不同的脆性污染层，其余三种铸型在锆试样表层发生了元素的扩散，扩散层与基体保持着良好的连续性。. 运用差热分析的方法，从热力学角度分析了锆与四种铸型材料的界面反应情况，结果表明在锆的熔点温度时，四种材料均会与锆发生界面反应，其中氧化铝的稳定性最差，氧化钇和石墨的稳定性最好。利用Midema生成热模型计算锆熔液的活度系数，研究型壳元素对锆熔液活度的影响，计算结果表明，铝元素会降低锆液的活度，阻止了氧元素向基体的进一步扩散，而钇元素提高了锆液的活度，由于钇元素的作用，使得锆试样表层内氧的扩散距离增大。. 结合前面的研究结果，运用相图分析了四种铸型材料与锆液的界面反应机理。从应用的角度上讲，氧化铝不能作为熔炼锆合金的铸型材料，而氧化钇、氧化锆、石墨可以作为铸型材料用于锆合金的铸造。另外，项目组采用氧化钇型壳成功浇注出了锆阀门，使得研究成果得到了一定的应用。