中子辐照对Cr涂层锆合金力学性能的影响_吴亚贞.pdf

文章编号：0258-0926(2023)02-0116-06;DOI:10.13832/j.jnpe.2023.02.0116中子辐照对 Cr 涂层锆合金力学性能的影响吴亚贞，席航，李国云，刘晓松，张海生，孙凯，宁知恩，方忠强，刘莎莎中国核动力研究设计院，成都，610213摘要：为研究中子辐照对 Cr 涂层锆合金力学性能的影响，获得 Cr 涂层锆合金的辐照性能数据，本文针对多弧离子镀技术制备的 Cr 涂层锆合金开展了中子辐照考验，通过拉伸试验过程实时观测试样力学行为变化并对试验后断口微观形貌进行分析，研究了辐照后 Cr 涂层锆合金的力学性能以及涂层与基体的结合能力。结果表明：中子辐照导致 Cr 涂层锆合金的抗拉强度和屈服强度升高，断后伸长率下降，表现出与商用锆合金相似的辐照强化效应。同时 Cr 涂层与无涂层锆合金相比，其屈服强度和抗拉强度升高但塑性变形能力降低。另一方面，Cr 涂层在拉伸变形量较大时产生环向裂纹，但未从基体表面剥落，中子辐照未对涂层结合强度产生明显的影响，受力过程中涂层仍保持了完整性。关键词：耐事故燃料包壳；Cr 涂层；力学性能；中子辐照中图分类号：TL34文献标志码：AInfluence of Neutron Irradiation on Mechanical Properties ofCr-coated Zirconium AlloyWu Yazhen,Xi Hang,Li Guoyun,Liu Xiaosong,Zhang Haisheng,Sun Kai,Ning Zhien,Fang Zhongqiang,Liu ShashaNuclear Power Institute of China,Chengdu,610213,ChinaAbstract:In order to study the influence of neutron irradiation on the mechanical properties ofCr-coated zirconium alloy,a neutron irradiation test is carried out in this paper for the Cr-coatedzirconium alloy prepared by multi-arc ion plating technology.The mechanical properties wereconducted by in situ tensile tests and the coating adhesion was analyzed by micron morphologycharacterization.Results show that Cr coating zircaloy has a similar irradiation effect withcommercial zircaloy cladding.Compared with uncoated zircaloy,Cr coating shows that the yieldstrength and tensile strength increased but percentage elongation after fracture decreasedThe Crcoating shows cracks till a large tensile strain without peeling off before rupture.The Cr coatingexhibits good mechanical properties and excellent adhesion with Zircaloy Tubes.Key words:Accident tolerant fuel(ATF)cladding,Cr-coated,Mechanical properties,Neuronirradiation 0 引言在现役锆合金包壳管表面制备防护涂层是耐事故燃料（ATF）包壳的开发路线之一。这种方法几乎保留了锆基体的力学性能1，且几乎不影响其尺寸，从而可保留原有燃料组件的设计。因此，锆合金包壳涂层及其相应技术成为国际上开发 ATF 的近期或者中期目标。Cr 金属具有熔点高（1900）、耐腐蚀性强、热膨胀系数和锆合 收稿日期：2022-05-19；修回日期：2022-07-05基金项目：国防科工局核能开发项目（K301007015）作者简介：吴亚贞（1988），女，助理研究员，现主要从事核燃料及材料辐照效应研究，E-mail: 第 44 卷第 2 期核 动 力 工 程Vol.44 No.22 0 2 3 年 4 月Nuclear Power EngineeringApr.2023金相差较小等特点，是目前研究最多的一种锆合金表面耐事故涂层2，也是被认为最可能商业化应用的锆合金表面耐事故涂层3-6。法国的法马通公司和美国的西屋电气公司在 Cr 涂层研发方面走在世界前列，开展了大量的堆外试验，并实施了密集的材料级、短棒级、先导燃料棒和先导燃料组件辐照考验试验7，但仍未见到关于 Cr 涂层辐照后热室检查的公开报道。国内多家科研机构8-10也开展了耐事故容错燃料技术的研究，但主要聚焦于涂层制备工艺以及 Cr 涂层的堆外性能，缺少相关的中子辐照性能研究。锆合金包壳材料在反应堆中会发生蠕变、疲劳和受热冲击等行为，同时由于涂层在受力、氧化等过程中存在与基材性能差异较大等问题而导致其涂层易剥落，进而失去对基材的保护作用。因此，研究中子辐照对涂层力学性能以及涂层与基体间结合强度的影响，对 Cr 涂层锆合金的工程化应用具有重要意义。本文针对 Cr 涂层锆合金包壳管在高通量工程试验堆（HFETR）中的应用开展了中子辐照考验，在拉伸试验过程中采用耐辐射视频系统实时观察锆合金表面 Cr 涂层的宏观变化，并分析断口处涂层与基体的结合状态，研究中子辐照对涂层锆合金的力学行为以及 Cr 涂层在锆合金基体上附着力的影响。本项研究结果可为改善膜基结合性能、优化涂层厚度、掌握涂层开裂特征等应用提供辐照数据。1 试验过程 1.1 试样准备Cr 涂层采用多弧离子镀技术制备，其工作气体选为纯度为 99.99%的氩气，金属 Cr 靶纯度为 99.9%，基体锆合金材料为名义尺寸 9.5 mm0.57 mm 壁厚的锆合金包壳管，再结晶状态11。其名义成分为 Zr-1.0Sn-1.0Nb-0.3Fe。从 400 mm 长的 Cr 涂层锆合金包壳管上切取长度为 160 mm 的拉伸试样，在 HFETR 的中间 G7 孔道进行了中子辐照考验，其平均快中子注量率（E 0.1 MeV）为 1.9611014 cm2s1，共运行 145 有效满功率天，辐照段受照平均快中子注量（E 0.1 MeV）实测值为 2.4051021 cm2。在辐照罐内布置 4 支热电偶监测辐照过程温度波动，辐照罐第一、三及第四层的阳面各布置 1支 K 型热电偶，在第三层阴面布置 1 支 K 型热电偶，采用气体（氦气+氩气）调节系统实现辐照温度的控制和调节。在反应堆功率提升至 80MW 后，各温度监测点中间段均有效控制在(35020)范围内。1.2 表征方法拉伸试验设备为 MTS810.10，最大载荷100 kN，精度 0.5 级，位移控制速率为 1 mm/min，拉伸至管材断裂并记录工程应力-应变曲线。采用耐辐射视频系统在拉伸试验过程中实时观测，可实现对试样表面涂层开裂、脱落等特征进行记录和分析，视频系统的测量范围为 100 mm。采用扫描电镜（SEM）观察包壳涂层形貌、外表面有无裂纹产生、涂层与基体的结合情况并测量涂层厚度；采用能谱仪（EDS）分析涂层与基体界面沿径向的合金元素分布情况。2 结果与讨论 2.1 拉伸试验图 1 为 Cr 涂层与无涂层试样辐照前后的轴向拉伸工程应力-应变曲线。可以看出，Cr 涂层对锆合金包壳管的轴向拉伸力学行为产生了一定影响。涂层对锆包壳管弹性变形和均匀塑性变形的影响较小，但对断裂前不均匀塑性变形行为影响较大，带涂层试样的变形量小于无涂层试样。表 1 为不同状态试样的拉伸性能数据，经过中子辐照，有无 Cr 涂层锆合金的抗拉强度和屈服强 图 1 带涂层和无涂层锆合金的拉伸工程应力-应变曲线Fig.1 The Stress-Strain Curves of Uncoated and CoatedZirconium Alloys吴亚贞等：中子辐照对 Cr 涂层锆合金力学性能的影响117 度均表现升高，而断后伸长率降低，显示了较为明显的辐照脆化效应，这与商用锆合金包壳管有相似的辐照效应规律。同时还发现带涂层试样的屈服强度和抗拉强度均高于无涂层试样。无涂层锆合金的屈强比由辐照前的 0.67 升高至辐照后的 0.84，带涂层试样的屈强比则由 0.70 升高至0.87，也说明 Cr 涂层对锆合金基体有强化作用但却降低了包壳管的塑性变形能力。王昱等12研究也发现涂层对锆合金包壳管的强度与延伸率造成一定影响，其中对延伸率的影响较为明显，并认为涂层及其表面裂纹会影响拉伸断口的扩展路径，同时影响基体在非均匀塑性变形阶段的应变行为，从而导致延伸率呈现一定程度的降低。表 1 Cr 涂层锆合金拉伸性能数据Tab.1 Tensile Property Data of Cr-coated Zirconium Alloy状态屈服强度Rp0.2/MPa 抗拉强度Rm/MPa 断后伸长率A100/%无涂层未辐照35953931带涂层未辐照38454825无涂层辐照后7158559带涂层辐照后7879043 图 2 为辐照前后 Cr 涂层锆合金试样拉伸过程涂层的宏观形貌变化，包括五个变形阶段：弹性阶段；均匀塑性变形阶段；最大载荷时；非均匀塑性变形阶段；断裂时。未辐照试样（图 2a）拉伸达到最大载荷时（变形量约15.5%），涂层表面开始出现裂纹，但直至断裂（变形量约 25%）涂层并未直接从基体表面剥落。辐照试样（图 2b）断后伸长率只有 3%，断裂位置未产生明显的塑性变形，拉伸过程未发现涂层表面发生明显变化。中子辐照虽然导致锆合金产生了辐照脆化效应，但 Cr 涂层在拉伸变形过程中仍保持了完整性，未发生剥落，直观说明 Cr涂层与锆合金基体的界面结合较为良好。2.2 Cr 涂层微观形貌图 3 是未辐照 Cr 涂层锆合金包壳管发生拉伸断裂后的微观形貌。其中，图 3a 显示试样断口处涂层表面存在大量环向的裂纹，且裂纹之间相互平行，主开裂方向与拉伸受力方向（图 3 中红色箭头代表受力方向）垂直，裂纹宽度约为3050 m（图 3b）。除了因拉伸产生的裂纹之外，从图 3c 可以看出涂层表面未出现微裂纹或孔洞等缺陷，涂层表面十分致密。Cr 涂层表面分布的大量白色颗粒，通常是多弧离子镀技术沉积过程产生的喷射颗粒5。图 3d 观察到涂层与基体之间的分界较为明显，涂层与基体结合紧密。锆合金基体断口可见大量韧窝组织和孔洞（图3e），显示出韧性断裂模式，表明锆合金基体具有良好的塑性变形能力。图 3f 显示 Cr 涂层由柱状晶组成，在拉伸应力下，发生了沿晶与穿晶开裂，形成贯穿涂层的大裂纹，Cr 涂层表现为脆性断口特征。此外，在图 3f 的三个不同位置处测量了涂层的厚度分别为 20.85、20.82、21.61 m，涂层厚度较为均匀。王昱等11-12研究认为 Cr 涂层厚度在低于 25 m 的范围内具有更好的涂层结合力。法马通采用磁控溅射方法将 Cr 涂层镀在 M5 锆合金包壳上，制备的涂层厚度在 1020 m 之间13。本文研究的基于多弧离子镀技术制备的Cr 涂层质量优异，与已有研究结果较为接近。综合分析，涂层及基体在拉伸过程中虽出现裂纹，但是涂层并未直接从基体表面脱落，微观形貌特 a 未辐照试样b 辐照后试样 图 2 拉伸试验全过程 Cr 涂层宏观形貌变化Fig.2 Macro-morphological Changes of Cr Coatingthroug