表面納米化對鋯合金微動腐蝕行為的影響

唐晨，張偉，李正陽，蔡振兵

（1.中國核動力研究設計院，成都 610213；2.西南交通大學 摩擦學研究所，成都 610031）

鋯合金由于優異的核性能而廣泛應用于壓水堆的燃料包殼管、導向管、儀表管、端塞棒和定位格架等結構材料，被譽為“原子時代的第一金屬”[1-2]。鋯合金燃料包殼在服役過程中長期處于高溫、高壓、高流速和強輻射的水化學環境。當高速流動的冷卻劑流經包殼外表面時，湍流激勵會導致包殼和定位格架間發生微動磨損，嚴重情況下會造成包殼管破損。據IAEA 統計，燃料包殼與定位格架間的微動磨損是造成壓水堆燃料失效的最主要原因[3-4]。為此，燃料包殼的微動磨損性能是制約核燃料安全運行的瓶頸之一，是核燃料研發和運行過程中的關鍵問題。

表面納米化作為一種表面強化的手段，可以在材料表層形成梯度的納米級晶粒細化層，提高具有鈍化行為的金屬材料的抗腐蝕能力，提升材料的表面硬度[5-6]。超聲表面滾壓技術（Ultrasonic Surface Rolling Processing，USRP）是一種將超聲波信號轉變為機械振動，由沖頭頂端的硬質合金球高頻往復作用于材料表面，制備梯度晶粒細化層的表面技術[7-8]。Zhang 等[9]通過超聲噴丸技術在純鋯表面制備了150 μm 厚的納米梯度強化層，表層的晶粒細化到50 nm。孿晶–孿晶和孿晶–位錯的交互作用是致使鋯合金表面晶粒細化的最主要因素。夏秀文等[10]研究了納米化后Zr-4 合金和普通Zr-4 合金的高溫水腐蝕性能，發現納米化后Zr-4 合金表面生成的鈍化膜更具有保護性，其抗腐蝕性能優于普通Zr-4 合金。……