锆合金高频感应氧化陶瓷膜的制备及性能研究

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1、重庆大学硕士论文中文摘要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

2、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3立方关系：(δ＋0.1)=4.72τ，当处理时间在20～60min范围内

3、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，-1-1即氧化膜每增厚1µm，包壳管的导热系数会降低0.019W·cm·K，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。关键词：锆合金，高频感应氧化，耐腐蚀性，显微硬度，结合力，导热系数1重庆大学硕士论文英文摘要ABSTR

4、ACTZirconiumalloysarewidelyusedascladdingmaterialforfuelrodsduetotheirattractiveproperties,suchasgoodmechanicalproperties,goodcorrosionresistance,lowcapturecross-sectionforthermalneutronsandhighthermalconductivity.Withthedevelopmentofnuclearindustry,zirconiumalloysw

5、ithexcellentcorrosionresistanceandwearresistancepropertiesforcladdingmaterialarerequiredaswell,therefore,surfacetreatmentofzirconiumalloysisofgreatimportancetoimprovetheseproperties.High-frequencyinductionoxidationisanewtechnologytoformceramiclayeronmetalsurface.The

6、high-frequencyinductionoxidationisafeasibletechniqueonthesurfaceofcladdingtubeincomparingtoothersurfacetreatmenttechniquesduetoitslowenergycost,highefficiency,andgoodworkenvironment.Inthisdissertation,theeffectsoftreatingparameterssuchastemperature,mediumandoxidatio

7、ntimeonthepropertiesofoxidelayerhavebeenstudied,modelsofoxidationkineticsareproposedbasedonourresults,andrelationshipsbetweenlayerthicknessandtheconductivityofcladdingtubeareinvestigated.Thisworkindicatesthatzirconialayerwithexcellentcorrosionresistancecanbeobtained

8、byhigh-frequencyinductionoxidationfrom520℃to600℃;thickness,compactability,uniformityandcohesionofthelayersoxidizedinactiveoxygenmediumarem