先进核燃料用ZrC涂层材料的研究进展
MCrAlY涂层的研究进展
MCrAlY涂层的研究进展门引妮;李进;卢金文;徐研;郭阳阳【期刊名称】《表面技术》【年(卷),期】2024(53)7【摘要】随着发动机的服役温度日益升高,工作环境日益恶劣,涡轮叶片极易在高温环境中氧化,大大降低了叶片的使用寿命。
如何在低成本下制备保护性能好的高温防护涂层,是当前国内外研究的重点。
MCrAlY包覆涂层可分为NiCrAlY涂层、CoCrAlY涂层和NiCoCrAlY涂层,这3类涂层的抗氧化性能和抗腐蚀性能较好,又有很好的塑韧性和抗热疲劳性能,因此可作为涂层或热障涂层的黏结层材料。
综述了涂层中主要元素(Al、Cr、Co、Y)、掺杂合金元素(Ta、Re、Si、Pt)、涂层制备工艺和预处理工艺对MCrAlY涂层性能的研究进展。
结果表明,可以通过调节MCrAlY涂层的成分来实现涂层性能的调控。
向MCrAlY涂层中掺入Si、Ta和Re 等活性元素,可显著提高涂层的抗高温氧化性能,以进一步提高发动机的工作效率和满足高温的工作环境需求。
总结了采用细化涂层晶粒、掺杂纳米颗粒和制备梯度复合涂层等方法来提高MCrAlY涂层的抗氧化性能和抗腐蚀性能的研究现状,对MCrAlY涂层的发展趋势进行了展望。
【总页数】9页(P31-39)【作者】门引妮;李进;卢金文;徐研;郭阳阳【作者单位】西安瑞鑫科金属材料有限责任公司【正文语种】中文【中图分类】TG174【相关文献】1.活性元素影响MCrAlY涂层氧化性能的研究进展2.冷喷涂制备MCrAlY涂层的研究进展3.复合电镀MCrAlY涂层研究进展4.MCrAlY涂层及热障涂层的研究进展5.等离子喷涂MCrAlY涂层的研究进展因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
四氯化锆相对分子质量
四氯化锆相对分子质量四氯化锆（ZrCl4）是一种无机化合物，其相对分子质量为233.1 g/mol。
它由锆和氯原子组成，是锆的一种常见化合物。
四氯化锆是一种无色液体，在常温下具有刺激性气味。
它具有许多独特的化学和物理性质，因此在许多领域有广泛的应用。
四氯化锆是一种极易挥发的液体，在空气中迅速与水蒸气反应生成氢氧化锆和氯化氢。
因此在操作时需要严格控制其与水分的接触。
另外，四氯化锆还可以水解生成氧化锆，这是一种重要的陶瓷材料，广泛应用于工业和科学领域。
四氯化锆在有机合成中也有重要的应用。
它可以作为催化剂，参与有机反应，如烷基化、醇酸酯化等。
此外，四氯化锆还可以用作催化剂的前体，通过与有机配体反应，形成各种金属有机化合物催化剂。
除了在化学合成中的应用外，四氯化锆还广泛用于材料科学领域。
它可以用作金属有机化学气相沉积（MOCVD）的前体，制备锆酸盐薄膜。
这些薄膜具有良好的光学和电学性能，可用于液晶显示器、太阳能电池等器件的制备。
四氯化锆还可以用于制备金属有机框架材料（MOFs），这是一类由金属离子和有机配体组成的晶体材料。
MOFs具有高度可调控的孔隙结构和表面活性，因此在气体吸附、分离和储存等方面具有潜在的应用价值。
在核工业中，四氯化锆也发挥着重要的作用。
它可以用作核燃料元件的涂层材料，提高其耐腐蚀性能。
此外，四氯化锆还可以作为核燃料加工过程中的溶解剂，用于从核废料中回收锆和铀等重要元素。
四氯化锆作为一种重要的化合物，在化学合成、材料科学和核工业等领域具有广泛的应用。
它的独特性质和多样化的用途使其成为现代科学和工业发展中不可或缺的一部分。
我们可以通过进一步的研究和应用，发掘出更多四氯化锆的潜在价值，并为人类社会的发展做出更大的贡献。
新型钴基高温合金成分设计的研究进展
㊀第43卷㊀第3期2024年3月中国材料进展MATERIALS CHINAVol.43㊀No.3Mar.2024收稿日期:2021-07-29㊀㊀修回日期:2021-11-25基金项目:国家自然科学基金钢铁联合研究基金重点项目(U1960204);国家自然科学基金面上项目(51871042,52171107);中央高校基本科研业务费专项资金项目(N2023026)第一作者:张旭明,男,1998年生,硕士研究生通讯作者:高秋志,男,1981年生,副教授,硕士生导师,Email:neuqgao@马庆爽,女,1989年生,讲师,硕士生导师,Email:maqsneuq@DOI :10.7502/j.issn.1674-3962.202107062新型钴基高温合金成分设计的研究进展张旭明1,2,马庆爽1,2,张海莲3,毕长波4,张会杰1,2,李会军5,高秋志1,2(1.东北大学秦皇岛分校资源与材料学院,河北秦皇岛066004)(2.东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室,辽宁沈阳110819)(3.秦皇岛市道天高科技有限公司,河北秦皇岛066000)(4.东北大学秦皇岛分校控制工程学院,河北,秦皇岛066004)(5.天津大学材料科学与工程学院,天津300354)摘㊀要:传统钴基高温合金的强化机制为固溶强化和碳化物强化,弱于有序γᶄ相沉淀强化的镍基高温合金的强化效果,日本学者发现了有序γᶄ相强化的Co-Al-W 系新型钴基高温合金,其强化效果明显优于传统钴基高温合金㊂由于新型钴基高温合金具有较传统镍基高温合金更高的承温能力以及更加优异的高温抗蠕变性能和抗氧化性能,因此被认为是最具潜力的航空发动机热端材料之一,近年来得到迅速发展㊂基于国内外学者对新型钴基高温合金的研究成果,系统总结多种合金元素(如Ta,Ti,W 和Nb 等)对新型钴基高温合金组织和性能的影响㊂在组织方面,总结合金元素对合金相变温度㊁γᶄ相的体积分数及形态㊁γᶄ相的尺寸㊁γ/γᶄ两相晶格错配度和有害相的影响;在性能方面,总结合金元素对合金抗氧化性能㊁力学性能及抗蠕变性能的影响,以期为新型钴基高温合金的成分设计提供参考㊂最后对新型钴基高温合金成分的高效率设计进行展望㊂关键词:钴基高温合金;成分设计;γᶄ相;组织性能;蠕变中图分类号:TG146.1+6㊀㊀文献标识码:A㊀㊀文章编号:1674-3962(2024)03-0230-08引用格式:张旭明,马庆爽,张海莲,等.新型钴基高温合金成分设计的研究进展[J].中国材料进展,2024,43(3):230-237.ZHANG X M,MA Q S,ZHANG H L,et al .Research Progress on Composition Design of Novel Cobalt Based Superalloy[J].MaterialsChina,2024,43(3):230-237.Research Progress on Composition Design ofNovel Cobalt Based SuperalloyZHANG Xuming 1,2,MA Qingshuang 1,2,ZHANG Hailian 3,BI Changbo 4,ZHANG Huijie 1,2,LI Huijun 5,GAO Qiuzhi 1,2(1.School of Resources and Materials,Northeastern University at Qinhuangdao,Qinhuangdao 066004,China)(2.State Key Laboratory of Rolling and Automation,Northeastern University,Shenyang 110819,China)(3.Qinhuangdao Daotian High Technology Co.,Ltd.,Qinhuangdao 066000,China)(4.School of Control Engineering,Northeastern University at Qinhuangdao,Qinhuangdao 066004,China)(5.School of Materials Science and Engineering,Tianjin University,Tianjin 300354,China)Abstract :The strengthening mechanism of traditionalcobalt-based superalloys is solid solution strengthening and carbide strengthening whereas,both solid solution strength-ening and carbide strengthening are weaker than that of nickel-based superalloys with ordered γᶄprecipitation.Jap-anese scholars discovered a novel type of Co-Al-W superal-loys with ordered γᶄphase strengthening,and its strengthe-ning effect is significantly better than that of traditional co-balt-based pared with traditional nickel-based superalloys,the novel cobalt-based superalloys have higher temperature capability,more excellent high tempera-ture creep resistance and oxidation resistance,therefore,the novel cobalt-based superalloys are considered to be the㊀第3期张旭明等:新型钴基高温合金成分设计的研究进展most potential aeroengines hot side materials and have developed rapidly in recent years.In this review,based on the re-search results of the novel cobalt-based superalloys by scholars at home and abroad,the effects of various alloying elements (such as Ta,Ti,W,Nb and so on)on the structure and properties of novel cobalt-based superalloys were systematically summarized.In terms of microstructure,the effects of alloying elements on transformation temperature,volume fraction and morphology ofγᶄphase,the size ofγᶄphase,the lattice misfit ofγ/γᶄtwo phase and the harmful phase were summarized. Meanwhile,in terms of properties,the effects of alloying elements on oxidation resistance,mechanical property and creep resistance of the alloy were also discussed,it is expected to provide reference for the composition design of novel cobalt-based superalloys.Finally,the high efficiency design of novel cobalt-based superalloys are prospected.Key words:Co-based superalloy;composition design;γᶄphase;microstructure and properties;creep1㊀前㊀言高温合金是指能够在600ħ以上的高温环境下正常工作,承受较为复杂的机械应力,具有稳定性的同时又高合金化的金属材料[1]㊂常见的高温合金有铁基㊁镍基和钴基3种,高温合金具有组织稳定㊁强度高㊁抗氧化性好以及抗蠕变性能优良等特点,目前广泛应用于能源动力㊁航空航天等领域[2-4]㊂随着对高温合金性能要求越来越高,提高高温合金的承温能力尤为重要[5]㊂航空发动机和燃气轮机中应用最成功的是镍基高温合金,由于熔点的限制导致其承温能力的提升极为有限,因此开发承温能力更高的新型高温合金是未来该领域的重点研究方向[6]㊂沉淀强化型钴基高温合金即新型钴基高温合金,相比镍基高温合金具有更加优异的抗蠕变性能㊁抗腐蚀性能㊁耐磨性以及更高的熔点[7],开发潜力大,应用前景广阔[8]㊂实验证明,诸多合金化元素(如: Al,Ta,Ni等)能够提高钴基高温合金强化相的稳定性㊂目前关于合金元素对钴基高温合金组织和性能影响的研究相对独立,部分常见合金元素对钴基高温合金组织和性能的影响还尚未形成统一认识㊂本文系统总结了Ni, Ti,Mo和Cr等常见合金化元素对新型钴基高温合金组织性能的影响,以期为新型钴基高温合金的进一步成分设计和组织调控提供参考,并对该合金成分的设计进行了展望㊂2㊀新型钴基高温合金概述2006年,Sato等[9]开发了具有L12结构γᶄ-Co3(Al, W)强化相的新型Co-Al-W系高温合金,该合金的固㊁液相线温度比镍基单晶高温合金高100~150ħ[10-12]㊂相比常规镍基高温合金,新型Co-Al-W系高温合金具有更强的各向弹性异性[13],相关研究也表明Co-Al-W基新型高温合金的机械性能较为优异[14-17];但是γ/γᶄ两相区过窄[9,18]㊁γᶄ相的高温稳定性低[19-21]以及合金密度大等特点限制了该合金在航天工业中的应用㊂因此在提高新型钴基高温合金相稳定性的同时如何降低其质量密度是当前研究的重要问题[22]㊂钴基高温合金中常见相的晶体学参数如表1所示[5,23]㊂新型钴基高温合金的组织主要由γ-Co基体相和γᶄ-Co3X(X=Al,Ti和Ta等)两相组成㊂其中,γ-Co是面心立方(fcc)的相,高温下fcc结构的Co较为稳定㊂经热处理后的γᶄ相主要呈立方结构,但是由于晶格错配度的改变也可能呈球状[24]㊂一方面,固溶元素含量越高,固溶强化的效果也越显著,Mo和Ni等合金化元素可以提高γᶄ相的溶解温度[9,10,15,25-27];但另一方面,过量的合金化元素会导致有害二次相如β-CoAl㊁χ-Co3W和μ-Co7W6等在基体中析出,降低合金的组织稳定性㊂表1㊀钴基高温合金中常见相的晶体学参数[5,23] Table1㊀Crystallographic parameters of common phases in cobalt based superalloy[5,23]Phase Structure symbol ExampleεA3CoγA1CoγᶄL12Co3(Al,W)μD85Co7W6βB2CoAlηD024Ni3TiχD019Co3W3㊀合金化元素对新型钴基高温合金物理性能及组织的影响3.1㊀合金化元素对新型钴基高温合金相变温度及密度的影响㊀㊀高温合金相变温度的高低决定了合金承温能力的大小㊂合金相变温度越高,承温能力自然也就越高㊂Lass[28]利用CALPHAD热力学数据库探究了Ni元素对新型钴基高温合金的影响机理,结果表明,由于Ni元素倾向分布在γᶄ相中从而提高了γᶄ相的溶解温度,同时也扩大了Co-Al-W-Ni系新型钴基高温合金高温下稳定的γ/γᶄ两相区㊂Chen等[22]测量了分别添加多种合金化元素后的Co-5Al-14V-2X四元合金相变温度,如图1所示,Ti,Nb 和Ta等合金化元素可显著提高γᶄ相溶解温度,而Cr元132中国材料进展第43卷素增加了γᶄ相中Cr 原子与近邻原子的结合能,导致γᶄ相的生成能增加,使γᶄ相的溶解温度降低[29]㊂图1㊀Co-5Al-14V-2X 四元合金的γᶄ相溶解温度㊁固相线温度和液相线温度[22]Fig.1㊀γᶄsolvus,solidus and liquidus temperatures of the Co-5Al-14V-2X quaternary alloys [22]Jin 等[30]利用第一性原理计算了Co 3(Al,M )(M =Ti,V,Cr,Zr,Nb,Mo,Hf,Ta 和W)化合物的稳定性和力学性能,研究发现,大多数化合物都具有比较好的稳定性,Al 是稳定L12结构的重要元素㊂各种成分的钴基合金以及Mar-M-247镍基合金的相变温度如图2所示[15,22,31-34]㊂诸多新型钴基高温合金的相变温度高于传统镍基高温合金,尤其是含有难熔合金化元素的新型钴基高温合金,如Co-9Al-9W㊁Co-5Al-14V 等㊂这是因为Ti,Nb,Ta 和W等难熔合金化元素的加入在新型钴基高图2㊀基于文献整理的各种钴基合金的γᶄ相溶解温度㊁固相线温度和液相线温度[15,22,31-34]Fig.2㊀γᶄsolvus,solidus and liquidus temperatures of various Co-based alloys based on literature reviews [15,22,31-34]温合金中形成了高熔点的化合物,同时作为强γᶄ相形成元素,提高了γᶄ相的体积分数,从而实现了强化效果[26]㊂通常认为,高的γᶄ相溶解温度是提高高温合金服役温度的基础㊂低密度同样是高温结构材料不断追求的目标之一㊂图3为各种钴基高温合金的密度[22,33,35-39]㊂难熔元素的加入导致新型钴基高温合金密度大幅上升,其中Co-9Al-9.8W 高温合金密度最高,可达9.82g㊃cm -3,这是其较高的含W 量导致的㊂实验证明,其他合金化元素(Mo,Cr,V 和Ti 等)代替W 元素后,合金密度大幅下降,甚至可与传统镍基高温合金媲美㊂图3㊀基于文献整理的各种钴基高温合金的密度[22,33,35-39]Fig.3㊀Density of various Co-based superalloys based on literaturereviews [22,33,35-39]3.2㊀合金化元素对新型钴基高温合金中γᶄ相体积分数的影响㊀㊀合金中γᶄ相的体积分数主要由合金化元素向γᶄ相的分配决定,较高的γᶄ相体积分数使合金具有更优异的力学性能[40]㊂Chen 等[22]和Makineni 等[41]对不同Ni 含量的新型钴基高温合金中的γᶄ相体积分数进行了统计,发现γᶄ相的体积分数随着Ni 元素含量的增加大幅提升㊂Cr 元素含量增加会降低γᶄ相的体积分数,Cr 在合金中倾向于分布在γ相基体中[42],同时大量Cr 元素会导致合金中有害第二相的析出,从而消耗大量其他合金化元素,使γᶄ相体积分数降低㊂Ta,Ti 和Nb 等作为强γᶄ相形成元素,在合金中分布于γᶄ相之中,其含量增加可增加γᶄ相的体积分数;而Mo 元素在γ/γᶄ两相之间接近平均分232㊀第3期张旭明等:新型钴基高温合金成分设计的研究进展配,对合金中γᶄ相体积分数的影响较小[22,23,43-45]㊂Wang等[46]通过第一性原理计算发现Ru,Rh,Pd,Ir 和Pt 元素倾向于占据Co 3Ta 中的Co 位,而Re 元素倾向于占据Co 3Ta 中Ta 的位置,从而提高γᶄ的相体积分数㊂应该明确的是,较大的γᶄ相体积分数可增大位错运动的阻力,从而使得合金的瞬时拉伸强度和持久强度提高㊂3.3㊀合金化元素对新型钴基高温合金中γ/γᶄ相晶格错配度的影响㊀㊀新型钴基高温合金中γᶄ相的形态由界面自由能和错配应变能两方面因素共同决定㊂界面自由能与错配应变能之和越小,γᶄ相的形态越稳定㊂一般来说,界面自由能与错配应变能分别与界面面积和γ/γᶄ相的晶格错配度有关,晶格错配度绝对值越大,错配应变能越大[47]㊂新型钴基高温合金中晶格错配度一般为正值,当晶格错配度较小时,γᶄ相的形态由界面自由能主导,体积相同时球体的表面积最小,故γᶄ相倾向于呈球状;当晶格错配度较大时,γᶄ相的形态由错配应变能主导,由于金属弹性一般呈各向异性,故γᶄ相倾向于呈立方状㊂晶格错配度δ可定义为[41]:δ=2(a γᶄ-a γ)a γᶄ+a γ(1)其中,a γᶄ和a γ分别为γᶄ相和γ相的晶格常数㊂Ni 元素使γᶄ相的晶格常数变小,导致晶格错配度减小,促使γᶄ相球化㊂在含W 钴基高温合金中添加Cr 元素,由于Cr 原子占据W 原子的位置,导致合金晶格错配度减小而使γᶄ相趋于球状[48,49]㊂Gao 等[50]研究了不同成分钴基高温合金时效后的晶格错配度(图4),发现Cr 元素的加入降低了合金的晶格错配度㊂Ti 是钴基高温合金中γᶄ相形成元素之一,会增大γ/γᶄ两相的晶格错配度进而使合金中γᶄ相倾向于呈立方状㊂Ta 原子掺杂会引起更大的晶格畸变,所以Ta 元素对晶格错配度增加的贡献要大于Ti 元素[51]㊂Hf 也可以增大合金中γ/γᶄ相的错配度,因此同样有利于改善合金强度[52]㊂一般来说,合金化元素的原子半径与Co 原子半径相差越大,引起的图4㊀利用XRD 测量的γ/γᶄ两相之间的晶格错配度[50]Fig.4㊀Lattice misfit between the γ-and γᶄ-phases measured by high-energy synchrotron X-ray diffraction [50]晶格畸变越大,越会导致合金晶格错配度的提高,从而使γᶄ相越倾向于呈立方状㊂Zenk 等[49]发现提高γ/γᶄ两相界面处的晶格畸变,能够有效阻碍合金变形过程中位错的运动,提高合金力学性能㊂凡是能够增大γᶄ相晶格常数的合金元素(如Nb,Ti 和Ta 等),都能增加γᶄ相周围的共格应变,起到强化作用㊂但错配度太大会降低高温下γᶄ相的稳定性,容易聚集长大从而松弛弹性应力[52]㊂晶格错配度越小的γᶄ相则具有更高的高温稳定性,因而此类合金的抗蠕变性能也更加优异[53]㊂3.4㊀合金化元素对新型钴基高温合金中γᶄ相尺寸的影响㊀㊀影响γᶄ相尺寸和长大的因素主要有合金元素的扩散㊁晶格错配度㊁弹性模量等,γᶄ相的尺寸大小对合金的性能也具有至关重要的影响,一般来说γᶄ相的尺寸越小,分布越弥散,合金的性能越好[54]㊂不同含量的合金组织如图5所示,Chen 等[22]研究统计了不同Ni 质量分数(10,20,30)的合金组织中γᶄ相的平均尺寸分别为(324ʃ74),(425ʃ150)和(496ʃ153)nm,发现随着Ni 含量的增加γᶄ相出现了明显的粗化现象㊂图5㊀Co-x Ni-8Al-12V 合金在900ħ固溶退火处理72h 后的SEM 照片[22]:(a)x =10,(b)x =20,(c)x =30Fig.5㊀Field emission scanning electron microscope images of Co-x Ni-8Al-12V quaternary alloys annealed at 900ħfor 72h after solu-tion annealing treatment [22]:(a)x =10,(b)x =20,(c)x =30332中国材料进展第43卷㊀㊀Gao 等[50]对γᶄ相的尺寸统计结果显示,γᶄ相的平均尺寸随Ti 元素含量的增加而增加㊂Ti 原子在合金中的扩散速率比Al 原子更快,降低了两相之间的界面能导致γᶄ相生长的驱动力增大㊂Cr 和Mo 元素都能促进合金中γᶄ相的粗化,且Mo 元素的影响更大㊂Pandey 等[47]认为Lifshitz-Slyozov-Wagner(LSW)模型仅适用于含Ti 量较低的高温合金㊂一般来说,γᶄ相的长大分为2个过程,在时效时间较短即时效初期,γᶄ相依靠原子的扩散进行生长;在时效时间较长即时效后期,γᶄ相主要依靠互相合并进行长大[44,55]㊂3.5㊀合金化元素对新型钴基高温合金中μ相和η相的影响㊀㊀μ相是一种主要由2种不同大小的金属原子构成的拓扑密排相,其结构为D85结构㊂作为一种硬脆相,μ相可能会成为裂纹的形核位置和拓展通道[38],μ相析出的同时会消耗大量的合金元素,减弱合金固溶强化及沉淀强化作用㊂有害相一般在晶界析出,但当Cr 元素的含量足够高时,有害相也会在晶粒内部析出,从而强烈降低合金力学性能㊂图6为不同新型钴基高温合金的显微组织照片㊂可以发现,Cr 元素含量的增加导致W 元素在γ相和γᶄ相中的溶解度降低,促进μ相的沉淀析出[32,36,44]㊂同时有文献表明,Ni 元素能够提高合金的组织稳定性,有效减少μ-Co 7W 6有害相的析出,提高合金的力学性能[56]㊂η相是一种具有D024结构的有害相,与μ相类似,倾向于在晶界析出减弱强化作用,会对合金性能产生不良影响[23]㊂郭建亭[57]认为,Al /Ti 原子数比值是合金中能否形成η相的决定性因素,同时Al +Ti 含量和Al /Ti 原子数比值也是影响合金中γᶄ相体积分数和γᶄ/γ两相晶格错配度的关键因素,一般地,Al +Ti 含量越高γᶄ相体积分数越高,γᶄ/γ两相晶格错配度也越高;Al /Ti 原子数比值越高,γᶄ相体积分数越高,γᶄ/γ两相晶格错配度越低㊂因此要严格控制合金Al +Ti 含量和Al /Ti 原子比,避免η相的析出对合金组织稳定性和力学性能产生不良影响,同时保证钴基合金具有较高的γᶄ相体积分数和较宽的加工窗口㊂图6㊀不同Cr 含量合金固溶处理后的SEM 照片:(a)9Cr-A 合金[36],(b)12Cr 合金[44],(c)8Cr 合金[32],(d)12Cr 合金[44]Fig.6㊀SEM images of alloys with different Cr contents after solution treatment:(a)9Cr-A alloys [36],(b)12Cr alloys [44],(c)8Cralloys [32],(d)12Cr alloys [44]4㊀合金化元素对合金性能的影响4.1㊀合金化元素对钴基高温合金抗氧化性、抗热腐蚀性的影响㊀㊀抗氧化性和抗热腐蚀性也是衡量合金高温性能好坏的一项重要指标[58,59]㊂在新型钴基高温合金中,Al 除稳定γᶄ相外,还能在合金表面形成致密的Al 2O 3氧化薄膜来提高合金的抗氧化性[60]㊂但Ti 的存在会引入空位,降低Al 2O 3的热力学稳定性,从而降低合金的抗氧化性㊂Chung 等[32]证实Cr 降低了合金的氧化层厚度,随着Cr 浓度的增加,更薄的氧化层足以形成耐氧化的表面(图7)㊂同时有实验证明较高的Cr 含量有助于形成结构致密的Cr 2O 3和Al 2O 3,阻止O 进一步扩散到基体中[23]㊂Cr 元素与Al 元素可以协同作用加速Al 2O 3的形成,即降低形成Al 2O 3层所需的临界Al 浓度[36,61]㊂合金表面致密的Al 2O 3和Cr 2O 3氧化层阻断O 向基体的扩散,提432㊀第3期张旭明等:新型钴基高温合金成分设计的研究进展图7㊀不同合金的氧化层截面组织照片[32]:(a)L24-0Cr 合金,(b)L24-12Cr 合金Fig.7㊀Micrographs of oxide layer structure of different alloys[32]:(a)L24-0Cr,(b)L24-12Cr alloys高合金的抗氧化性㊂Chen 等[42]发现6Cr 钴基高温合金并没有优异的抗氧化性,因为合金中γᶄ相的体积分数减小导致γ相基体优先氧化,适当高的γᶄ相体积分数也能提高合金抗氧化性㊂Ni 元素能够促进Cr 2O 3的生长及延缓合金的结节性氧化,提高合金的抗氧化性能[62]㊂此外,Ta 的添加也被证实能在一定程度上提高合金的抗热腐蚀性能[52]㊂4.2㊀合金化元素对新型钴基高温合金力学性能及抗蠕变性能的影响㊀㊀作为结构构件的物质基础,结构材料的性能直接影响到构件能否满足使用要求,因此结构材料的设计往往对其力学性能提出要求㊂图8为Makineni 等[41]测试的Co-10Al-5Mo-2Nb 和Co-30Ni-10Al-5Mo-2Nb Co 基高温合金的拉伸性能,2种合金依靠高γᶄ相含量,室温下强度达到了800MPa,超过了诸多含W 钴基高温合金㊂W 能够引起明显的晶格膨胀,阻止位错运动,同时提高γᶄ相的体积分数,提高合金强度㊂Mo元素在钴基高温合金中易图8㊀不同Co 基高温合金在不同条件下的拉伸应力-应变曲线[41]:(a)室温下Co-10Al-5Mo-2Nb,(b)室温下Co-30Ni-10Al-5Mo-2Nb,(c)870ħ时Co-30Ni-10Al-5Mo-2NbFig.8㊀Tensile stress-strain curves of different Co-based alloys at dif-ferent conditions [41]:(a)Co-10Al-5Mo-2Nb at room temper-ature,(b )Co-30Ni-10Al-5Mo-2Nb at room temperature,(c)Co-30Ni-10Al-5Mo-2Nb at 870ħ与C 形成大量的MoC 碳化物,细小弥散的碳化物也可以改善合金的力学性能,同时也在一定程度上达到细晶强化的效果㊂Ti 会增大γᶄ相的粗化速率,对合金力学性能产生不利影响,但Bocchini 等[63]证明Ti 提高了合金的高温强度,这说明γᶄ相体积分数增大对合金的强度提升效果超过了组织粗化带来的负面影响㊂在Co-Al-W 基合金中,少量的B 元素能够促进富W 硼化物在晶界的析出,起到晶界强化的作用,有利于提高合金的力学性能[64]㊂高温合金需要在高温环境下长时间服役,因此要求它具有优异的抗蠕变性能㊂蠕变是指在恒应力或载荷下所发生的缓慢而连续的塑性变形,关于蠕变的研究对高温合金具有非常重要的意义㊂可通过探究合金化元素对新型钴基高温合金抗蠕变性能的影响及其机理进而对它进行针对性的设计㊂Cr 元素含量的增加显著增大了蠕变最小稳态应变速率[65],Povstugar 等[66]认为当合金中加入Cr 元素以后会生成有害的二次相并改变合金的堆垛层错能,恶化合金的抗蠕变性能,而Ni 能够部分抵消Cr 对合金抗蠕变性能的恶化[44]㊂W 和Nb 元素均能够强烈降低γ相基体的堆垛层错能,有效改善高温合金的抗蠕变性能㊂得益于晶界强化的作用,含B 合金拥有较其他合金更优异的抗蠕变性能㊂在Co-Al-W 基合金中加入Ta 元素能够明显提高合金的蠕变寿命,但与其他元素如Si 和Mo 等同时存在时会析出大量金属间化合物,降低合金抗蠕变性能[67]㊂在合金蠕变的过程中,经常出现γᶄ相的定向粗化,通常称之为筏化[66,68-70]㊂钴基高温合金一般表现出正晶格错配,在压缩状态下γᶄ相会在所施加压应力的垂直方向与拉应力的平行方向发生筏化[71]㊂如图9所示,0Cr 和4Cr 合金中的γᶄ相出现了筏化现象㊂8Cr 合金没有发生筏化是因为大量Cr 原子占据W 原子的晶格后降低了晶格错配度,导致γᶄ相缺乏各向异性的应力场,进而使筏化的驱动力减小[44]㊂5㊀结㊀语高温合金不仅是航空发动机的重要材料,也是能源㊁化工领域高温耐蚀部件的重要材料㊂新型钴基高温合金具有比镍基高温合金更高的γᶄ相溶解温度和熔点,但γᶄ相的高温稳定性还有待提高㊂本文主要针对不同合金化元素对新型钴基高温合金组织性能的影响做了总结梳理㊂Ni 能够有效提高合金性能,但过量的Ni 导致γᶄ相形态改变,新型钴基高温合金中的Ni 含量应保持在30%(原子数分数,下同)以下;Ti,Ta 和Nb 等强γᶄ相形成元素能够大幅提高γᶄ相的体积分数,过量将导致γᶄ相的加速粗化和密度增加,常见钴镍基高温合金中Ti,Ta 和Nb532中国材料进展第43卷图9㊀不同Co基合金蠕变后的SEM照片[44]:(a,b)0Cr,(c,d) 4Cr,(e,f)8CrFig.9㊀Post-creep SEM images of different Co-based alloys[44]:(a,b) 0Cr,(c,d)4Cr,(e,f)8Cr含量为2%~4%;Cr在提高合金的抗氧化性[72]的同时可促进有害相的析出,降低合金力学性能,新型钴基高温合金中Cr含量一般控制在4%~6%以下㊂新型钴基高温合金具有多项优于传统钴基高温合金的性能,是最具潜力的高温合金之一㊂但与发展相对成熟的镍基高温合金相比,新型钴基高温合金的发展和应用仍然具有很大的挑战,如合金的制造工艺以及零件的加工和热处理工艺尚不成熟等㊂目前我国合金成分设计数据库仍然不够健全,但随着计算材料学㊁材料基因工程等领域的发展,CALPHAD㊁第一性原理计算㊁机器学习等方法将在合金的高效设计中发挥更大的作用,将材料计算㊁计算机仿真模拟等多种设计思路与实验相结合有望实现新型钴基高温合金的高通量设计㊂参考文献㊀References[1]㊀杜金辉,吕旭东,董建新,等.金属学报[J],2019,55(9):1115-1132.DU J H,LV X D,DONG J X,et al.Acta Metallurgica Sinica[J], 2019,55(9):1115-1132.[2]㊀LIU Z,GAO Q,ZHANG H,et al.Materials Science&Engineering:A[J],2019,755:106-115.[3]㊀程远,赵新宝,岳全召,等.稀有金属材料与工程[J],2023,52(7):2599-2611.CHENG Y,ZHAO X B,YUE Q Z,et al.Rare Metal Materials and Engineering[J],2023,52(7):2599-2611.[4]㊀JIANG J,LIU Z,GAO Q,et al.Materials Science&Engineering:A[J],2020,797:140219.[5]㊀刘健.元素对γᶄ沉淀强化型钴基高温合金组织及力学性能的影响[D].合肥:中国科学技术大学,2019.LIU J.Effects of Alloying Elements on the Microstructure and Mechan-ical Behavior ofγᶄ-Strengthed Co-Base Superalloys[D].Hefei:Uni-versity of Science and Technology of 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中国石油新型储能技术进展与前景展望
中国石油新型储能技术进展与前景展望王晓琦;白盛池;杨瑞;温文;冯进千;班凡生;蒋龙;杨双业;王建川;计东东;王生春;张琳;熊俐慧;余晖迪;柳笛;李轶衡【期刊名称】《石油科技论坛》【年(卷),期】2024(43)2【摘要】全球能源领域正在发生巨大变革,传统国际油公司纷纷布局新能源,向绿色低碳方向转型。
储能具有能量存储与灵活调度等功能,在油气田风光发电的电源侧、电力输送的电网侧以及油气行业上中下游的用户侧存在众多应用场景,将发挥重要作用。
文章研究梳理了储能行业发展态势及各类先进储能技术的特点与成熟度,探讨了油气行业所需的低成本、高安全、耐宽温、大容量等先进储能技术类型,提出了当前在技术成本、容量和规模、循环寿命和可靠性、地理限制和环境影响、法规和政策支持等方面面临的挑战。
在对国际油气与能源公司的储能布局调研分析的基础上,按小规模(<1MW/1MW·h)、中等规模(1MW/1MW·h~100MW/100MW·h)、大规模(>100MW/100MW·h)对油气行业储能需求进行分类。
“十三五”以来,中国石油储能在钛酸锂电池、水系锌离子电池、液流电池等电化学储能技术以及盐穴压缩空气、飞轮储能为主的物理储能技术等方面取得了系列创新成果。
面对储能技术路线多样、迭代迅速和产业链长等特点,油气企业需依托自身需求与特色应用场景以推动储能业务发展。
具体建议:发挥储能的纽带作用,加速油气行业与新能源融合发展;发展符合油气行业需求的特色储能技术,快速形成标准体系;加强跨学科人才培养力度,培养适应油气行业储能技术发展的工程技术人才;发挥储能在未来综合能源系统中的核心作用,支撑油气企业向综合性能源公司转型。
【总页数】14页(P70-82)【作者】王晓琦;白盛池;杨瑞;温文;冯进千;班凡生;蒋龙;杨双业;王建川;计东东;王生春;张琳;熊俐慧;余晖迪;柳笛;李轶衡【作者单位】中国石油勘探开发研究院;中国石油集团工程技术研究院有限公司;中国石油集团工程材料研究院有限公司;中国石油宝鸡石油机械有限责任公司;西安宝美电气工业有限公司;中国石油集团济柴动力有限公司【正文语种】中文【中图分类】TK02【相关文献】1.中国石油天然气股份有限公司近期油气勘探进展及前景展望2.新型储能材料——石墨烯的储能特性及其前景展望3.中国石油页岩油储集层改造技术进展及发展方向4.中国石油油气藏储层改造技术历程与展望5.中国石油海外岩性地层油气藏勘探进展与前景展望因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
Cr_涂层锆合金事故容错燃料包壳材料研究进展
表面技术第52卷第12期研究综述Cr涂层锆合金事故容错燃料包壳材料研究进展严俊，廖业宏，彭振驯，王占伟，李思功，马海滨，薛佳祥，任啟森（中广核研究院有限公司 核燃料与材料研究所，广东 深圳 518000）摘要：自2011年日本福岛核事故后，事故容错燃料成为核电企业和相关科研机构的研究重点，旨在提升反应堆燃料系统的可靠性与安全性。
锆合金包壳表面涂层技术是事故容错燃料研发的短期目标之一，其中，Cr涂层锆合金包壳为当前的主要技术路线。
围绕涂层制备工艺、微观组织以及关键服役性能三方面，对Cr 涂层锆合金的相关研究进展进行了综述。
首先，对比介绍了锆合金表面金属Cr涂层制备工艺及其特点，涵盖了物理气相沉积、冷喷涂和3D激光熔覆等技术，同步介绍了国际核电巨头所采用的制备工艺及相关研发进展。
其次，简单阐述了Cr涂层微观组织特征，重点阐述了正常运行工况下Cr涂层锆合金高温高压水腐蚀性能、高温高压水微动磨蚀性能、高温力学行为和辐照行为，以及事故工况下该材料体系高温内压爆破行为、高温蒸气氧化-淬火行为等，并同步针对其微观辐照机制、高温氧化/腐蚀机制等进行了归纳和深入分析。
最后，对当前研究所存在的问题和未来发展方向进行了归纳分析。
关键词：事故容错燃料；Cr涂层锆合金；腐蚀；氧化；力学性能中图分类号：TG174.4 文献标识码：A 文章编号：1001-3660(2023)12-0206-19DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2023.12.019Review on Cr-coated Zirconium Alloy Cladding for Accident Tolerant FuelYAN Jun, LIAO Ye-hong, PENG Zhen-xun, WANG Zhan-wei,LI Si-gong, MA Hai-bin, XUE Jia-xiang, REN Qi-sen(Institute of Nuclear Fuel and Materials, China Nuclear Power Technology Research Institute,Guangdong Shenzhen 518000, China)ABSTRACT: After the Fukushima nuclear accident in Japan in 2011, accident tolerant fuels (ATF) have become the research focus of nuclear power enterprises and related scientific research institutions, which aims to improve the reliability and safety of the nuclear reactors. The surface-modified Zr alloy cladding is a short-term goal for research and development of ATF and the Cr-coated Zr alloy cladding has become the current main technical route. Focusing on the preparation techniques, microstructural characteristics, and critical service performance, the related research of Cr-coated Zr alloy cladding was reviewed. Firstly, the various preparation techniques and characteristics of Cr coating on zirconium alloy surface were compared and introduced, including physical vapor deposition, cold spraying, and 3D laser and the preparation techniques and related research and development progress adopted by international nuclear power giants were introduced at the same time. Secondly, the microstructure of Cr coating was described and the corrosion performance, fretting and abrasion performance, high temperature收稿日期：2022-11-24；修订日期：2023-03-21Received：2022-11-24；Revised：2023-03-21基金项目：国家重点研发计划（2017YFB0702404）Fund：National Key Research and Development Program (2017YFB0702404)引文格式：严俊, 廖业宏, 彭振驯, 等. Cr涂层锆合金事故容错燃料包壳材料研究进展[J]. 表面技术, 2023, 52(12): 206-224.YAN Jun, LIAO Ye-hong, PENG Zhen-xun, et al. Review on Cr-coated Zirconium Alloy Cladding for Accident Tolerant Fuel[J]. Surface第52卷第12期严俊，等：Cr涂层锆合金事故容错燃料包壳材料研究进展·207·mechanical behavior and irradiation behavior of Cr-coated Zr alloy under normal operating conditions were emphatically expounded. Moreover, the internal pressure creep and burst behavior at high temperature, high-temperature steam oxidation and quenching behavior the Cr-coated Zr alloy cladding were elaborated. In addition, the mechanisms related with irradiation, oxidation, and corrosion were summarized and analyzed in depth. Finally, the existing problems and the future development directions for the current research were thoroughly summarized and prospected.KEY WORDS: ATF; Cr-coated Zr alloy; corrosion; oxidation; mechanical properties锆合金因具备热中子吸收截面小、耐高温水腐蚀性能优异、力学性能良好等特有的综合性能，被广泛用作反应堆核燃料包壳材料[1-10]。
Zr－Nb系合金耐蚀性能研究
Zr－Nb系合金耐蚀性能研究
邝用庚;李佩志;祝洪耀;高玉良
【期刊名称】《稀有金属材料与工程》
【年(卷),期】1995(24)3
【摘要】结合核动力堆用燃料包壳对锆合金耐蚀性能的要求，大范围考察了Ｎｂ含量为０．５％，１．０％，２．６％（ｗｔ％）的Ｚｒ—Ｎｂ二元合金及含Ｃｒ、Ｍｏ、Ｓｎ、Ｂｉ、Ｆｅ、Ｃｅ和Ｓｉ的Ｚｒ－１Ｎｂ及多元合金，共１７种成分的Ｚｒ－Ｎｂ系合金在４００℃，１０．３ＭＰａ水蒸汽中的长期腐蚀规律（达１８２天）。
在腐蚀转折前，Ｚｒ－Ｎｂ系合金的腐蚀动力学曲线均近似于抛物线规律，而在转折之后存在与线性规律偏离现象。
长期腐蚀增重的分析说明：通过合理的多元合金化，即增加或降低Ｎｂ含量，并主加Ｆｅ、Ｂｉ、Ｓｎ和Ｎｉ而辅加少量的Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｅ和Ｓｉ，Ｚｒ－１Ｎｂ合金的耐蚀性大有潜力可挖。
【总页数】5页(P41-45)
【关键词】动力学曲线;锆合金;耐蚀性;反应堆材料
【作者】邝用庚;李佩志;祝洪耀;高玉良
【作者单位】冶金部钢铁研究总院,西北有色金属研究院
【正文语种】中文
【中图分类】TL341
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1.Zr-Nb合金耐腐蚀性能的研究进展 [J], 王荣山;翁立奎;张晏玮;耿建桥;王锦红
2.Cr-Ni-Cu系Ⅰa钢级低合金耐候钢管耐蚀性能研究 [J], 王亚男;周晓锋;边令喜;赵游云;窦志超
3.Zr-Nb系合金堆外腐蚀性能的研究现状 [J], 石明华;李中奎;周军;田锋;张建军;王文生
4.Mg-Al系镁合金的耐蚀性能研究进展 [J], 吴进;罗岚;刘勇;熊庭辉
5.合金元素对Zr-Nb合金耐蚀性能的影响 [J], 李佩志;李中奎;薛祥义;刘建章
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ZrO2增强聚合物先驱体SiCNO_复合陶瓷的制备和力学性能
第 4 期第 34-42 页材料工程Vol.52Apr. 2024Journal of Materials EngineeringNo.4pp.34-42第 52 卷2024 年 4 月ZrO 2增强聚合物先驱体SiCNO 复合陶瓷的制备和力学性能Preparation and mechanical properties of ZrO 2-reinforced polymer -derived SiCNOcomposite ceramics费轩，余煜玺*，严远高，魏永金，赵刚，黄柳英*（厦门大学 材料学院 福建省特种先进材料重点实验室，福建 厦门 361005）FEI Xuan ，YU Yuxi *，YAN Yuangao ，WEI Yongjin ，ZHAO Gang ，HUANG Liuying *（Fujian Key Laboratory of Advanced Materials ，College of Materials ，Xiamen University ，Xiamen 361005，Fujian ，China ）摘要：聚合物先驱体陶瓷（polymer -derived ceramics ，PDCs ）技术具有制造简单、成分可调等优点，为制备新型陶瓷提供了有效途径。
然而，由于热解过程中微小分子的逃逸形成孔洞缺陷，先驱体技术制备的无定形聚合物衍生SiCNO 陶瓷（PDCs -SiCNO 陶瓷）的力学性能较差。
为解决上述问题，通过向陶瓷基体添加第二相（颗粒强化）来实现增强先驱体陶瓷。
对聚乙烯基硅氮烷（PVSZ ）和ZrO 2进行先球磨后热解，制备ZrO 2颗粒增强PDCs -SiCNO 复合陶瓷（PDCs -SiCNO -ZrO 2），研究PDCs -SiCNO -ZrO 2复合陶瓷的结构和力学性能。
结果表明：引入的ZrO 2填料作为增强体嵌入SiCNO 陶瓷基体中，不仅能有效降低线收缩率，还能大幅提高PDCs -SiCNO -ZrO 2复合陶瓷的力学性能。
冷喷涂硬质合金耐磨涂层研究进展
冷喷涂硬质合金耐磨涂层研究进展王明远;李文亚;徐雅欣;雒晓涛【期刊名称】《表面技术》【年(卷),期】2024(53)10【摘要】硬质合金涂层具有高耐磨性与高耐腐蚀性等优势,因此广泛应用于冶金等领域的耐磨、耐蚀防护中。
采用传统热喷涂技术制备硬质合金涂层,其高温会导致涂层材料产生相变、氧化、脱碳等问题,从而损害涂层的服役性能。
冷喷涂技术作为一种新兴的涂层制备技术,具有低温的特点,可避免传统热喷涂方法所带来的涂层质量问题,成为硬质合金涂层制备的潜在技术。
在简述冷喷涂技术原理及其沉积机理的基础上,综述了冷喷涂制备硬质合金耐磨涂层(如WC-Co、WC-Ni、Cr_(3)C_(2)-NiCr等),以及影响涂层硬度、耐磨性等力学性能的主要因素,包括硬质相、黏结相的种类、含量和尺寸等。
综合比较了冷喷涂与超音速火焰喷涂制备的硬质合金涂层的耐磨性能,分析了后处理(喷后热处理、搅拌摩擦处理)对冷喷涂硬质合金涂层耐磨性的影响。
最后,提出了冷喷涂技术在硬质合金耐磨涂层制备方面的局限性,并对未来发展进行了展望。
【总页数】13页(P28-40)【作者】王明远;李文亚;徐雅欣;雒晓涛【作者单位】西北工业大学材料学院陕西省摩擦焊接工程技术重点实验室;西安交通大学材料科学与工程学院【正文语种】中文【中图分类】TG174.4【相关文献】1.镁合金表面冷喷涂420不锈钢/WC-17Co涂层及其耐磨耐蚀性能2.低压冷喷涂Al(Y)-Al2O3-MoS2涂层的工艺优化及其耐磨损性能研究3.不同B_(4)C含量对冷喷涂Al/B_(4)C复合涂层防腐与耐磨性能的影响4.硬质相类型对冷喷涂铝基涂层组织与耐磨性的影响5.冷喷涂复合涂层的组织与耐磨性研究因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
镍基合金激光熔覆研究进展及其在反应堆的应用展望
镍基合金激光熔覆研究进展及其在反应堆的应用展望目录一、内容概括 (2)1.1 研究背景与意义 (2)1.2 国内外研究现状与发展趋势 (4)二、镍基合金激光熔覆基本原理 (5)2.1 激光熔覆技术概述 (6)2.2 镍基合金材料特点 (7)2.3 激光熔覆过程中的物理与化学变化 (9)三、镍基合金激光熔覆工艺研究进展 (10)3.1 激光参数选择与优化 (12)3.2 合金粉末粒度与烧结工艺改进 (13)3.3 表面处理技术对熔覆质量的影响 (13)3.4 不同激光器与焊接技术的比较 (15)四、镍基合金激光熔覆的组织与性能研究 (16)4.1 熔覆层微观组织形貌分析 (17)4.2 熔覆层力学性能测试与评价 (19)4.3 熔覆层耐腐蚀性能研究 (20)4.4 熔覆层高温性能评估 (21)五、镍基合金激光熔覆在反应堆中的应用展望 (22)5.1 反应堆冷却剂系统材料选择 (24)5.2 反应堆结构材料激光熔覆修复技术 (25)5.3 反应堆安全屏障材料研发与应用 (26)5.4 激光熔覆技术在反应堆驱动冷却系统中的应用 (28)六、镍基合金激光熔覆面临的挑战与对策 (29)6.1 生产成本与工艺稳定性问题 (30)6.2 熔覆层长期性能评估与验证 (32)6.3 安全性评估与监管政策完善 (33)6.4 人才培养与技术研发团队建设 (34)七、结论与展望 (36)7.1 研究成果总结 (36)7.2 未来发展方向与趋势预测 (37)一、内容概括镍基合金激光熔覆技术因其能够有效提升材料性能、降低制造成本和加工复杂度的优势，在诸多领域得到了快速发展。
尤其是在反应堆领域，镍基合金激光熔覆有望为延长堆芯寿命、提高安全性以及降低维护成本等方面提供有效的解决方案。
本文首先综述了镍基合金激光熔覆的基础原理和技术特点，详细介绍了国内外学者近年来在激光熔覆过程优化、熔覆体系设计和性能评价等方面的研究进展。
接着，针对反应堆的具体应用需求，分析了不同种类的镍基合金激光熔覆材料在堆芯组件、管道、热结构等方面的优势及应用前景。
高能碳氢燃料绿色合成技术研究进展
高能碳氢燃料绿色合成技术研究进展
余锐;刘显龙;史成香;潘伦;张香文;邹吉军
【期刊名称】《含能材料》
【年(卷),期】2022(30)11
【摘要】高能量密度碳氢燃料是重要的航天航空动力源,其主要发展方向是高能化和绿色化,尤其是在低碳和可持续发展的要求下,发展高能碳氢燃料的绿色合成工艺已成为必然。
本文总结了高能碳氢燃料合成技术绿色化的研究进展,包括:通过改进合成路线或者使用固体酸、离子液体等绿色催化剂,对经典高能燃料JP‑10(挂式四氢双环戊二烯)、金刚烷传统合成工艺进行绿色化改进;从合成原料绿色化的角度,以萜烯和木质纤维素及其衍生物为原料合成生物基高能绿色燃料,研发生物基RJ‑4(桥式和挂式四氢二甲基双环戊二烯混合物)和JP‑10等替代燃料;从合成工艺绿色化的角度,采用光催化技术实现张力结构燃料和多环结构燃料的绿色合成。
最后对国内外该领域阶段性的成果进行了总结,并展望了高能碳氢燃料绿色合成工艺的发展方向和面临挑战。
【总页数】10页(P1167-1176)
【作者】余锐;刘显龙;史成香;潘伦;张香文;邹吉军
【作者单位】天津大学先进燃料与化学推进剂教育部重点实验室;物质绿色创造与制造海河实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TJ55
【相关文献】
1.高能碳氢燃料的热氧化动力学研究
2.密度大于1的高密度液体碳氢燃料合成及复配研究
3.高密度液体碳氢燃料的合成研究进展
4.高能量密度燃料的合成及研究进展
5.高能量密度碳氢燃料JP-10的热裂解研究进展
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Nuclear Science and Technology 核科学与技术, 2020, 8(1), 42-51Published Online January 2020 in Hans. /journal/nsthttps:///10.12677/nst.2020.81005Research Progress of ZrC Coating Materials for Advanced Nuclear FuelsGang Li, Hui Wang, Songling WuScience and Technology on Reactor Fuel and Materials Laboratory, Nuclear Power Institute of China,Chengdu SichuanReceived: Dec. 27th, 2019; accepted: Jan. 9th, 2020; published: Jan. 16th, 2020AbstractAdvanced high temperature/ultra-high temperature reactors have stringent application require-ments for nuclear fuel. ZrC Coated particle fuel with excellent comprehensive performance is just an advanced fuel for high temperature reactor. The research status of ZrC coatings for nuclear fuel is summarized from the aspects of the preparation technology of ZrC coating, high temperature stability, oxidation behavior and irradiation performance. A series of scientific questions were proposed, including the incomplete oxidation data of ZrC coatings in irradiation environment, the effects of stoichiometry on swelling caused by irradiation, microstructure evolution, radiation dam-age and compatibility with fission products, the structure and mechanical stability of ZrC coatings under irradiation and high temperature environment are not verified by a lot of irradiation expe-riments, the mechanism of the interaction between fuel and fission products, the distribution and diffusion of fission products in the coatings are not fully understood.KeywordsZrC Coating, ZrC-TRISO Fuel, Preparation Technology, High Temperature Stability,Oxidation Behavior, Irradiation Performance先进核燃料用ZrC涂层材料的研究进展李刚，王辉，吴松岭中国核动力研究设计院反应堆燃料及材料重点实验室，四川成都收稿日期：2019年12月27日；录用日期：2020年1月9日；发布日期：2020年1月16日李刚 等摘要先进高温/超高温反应堆对核燃料提出了更高的使用要求，ZrC 涂层颗粒燃料具有优良的综合性能，是一种适用于高温反应堆的先进燃料。
从ZrC 涂层燃料的制备技术、高温稳定性、氧化行为、辐照性能等方概述了核燃料用ZrC 涂层的研究现状，分析了在辐照环境下的ZrC 涂层的氧化数据不全面，化学计量变化对辐照引起的膨胀、微观结构演变、辐照损伤以及与裂变产物的相容性等研究不系统，ZrC 涂层在辐照及高温环境下的结构和机械稳定性缺乏广泛的辐照实验验证，ZrC 涂层燃料与裂变产物的作用机制以及裂变产物在涂层中的分布、扩散规律缺乏充足认识等核燃料用ZrC 材料的研究薄弱环节。
关键词ZrC 涂层，ZrC-TRISO 燃料，制备技术，高温稳定性，氧化行为，辐照性能Copyright © 2020 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). /licenses/by/4.0/1. 引言先进核燃料是发展高性能核反应堆的关键基础。
通常三结构各向同性(TRISO)颗粒燃料具有良好的综合性能，是先进高温反应堆燃料的首选。
SiC-TRISO 燃料由燃料核心和连续包覆的热解碳缓冲层(Buffer)、致密内热解碳(IPyC)、SiC 和致密外热解碳(OPyC)组成。
SiC-TRISO 燃料具有抗辐照、耐高温的特点，但不满足第IV 代超高温反应堆(VHTR)的安全使用需求；其关键的影响因素是SiC 层高温下逐渐失去其机械完整性，并且存在高温相转变，形成多孔结构，削弱了涂层的性能，可导致裂变产物的大量释放；同时，高温下SiC 涂层与裂变产物的化学相互作用也是其性能限制之一[1] [2]。
为了满足未来第IV 超高温反应堆的安全需要和提高热效率，关键是寻找替代SiC 涂层材料。
ZrC 是一种能满足上述要求的材料，美国、日本和俄罗斯等国家已提出了高质量ZrC-TRISO 涂层颗粒燃料的研发计划，其中一种基本涂层结构如图1所示。
ZrC 涂层在高温下具有诸多优点[3] [4]，如：高熔点、良好的热稳定性、抗裂变产物侵蚀性等，是一种潜在替代SiC 的候选涂层。
ZrC 涂层具有比SiC 更高的降解温度，可以提高燃料使用温度，从而提高反应堆的效率和安全性。
另外，在高温、辐照环境中，ZrC 涂层可抑制TRISO 颗粒中UO 2核芯的核迁移(“amoeba ”效应[5] [6])现象。
虽然已在ZrC 涂层研究方面取得了许多成果，但目前对ZrC 涂层燃料基本性质的了解仍然不足，为了进一步增加对关键ZrC 特性的理解，各国对ZrC 涂层燃料的研究一直在持续。
然而，我国对核燃料用ZrC 涂层的研究相对薄弱，对涂层应用性能，尤其是辐照性能以及辐照产物的影响缺乏研究。
为适应我国先进核能燃料的发展，本文重新梳理国内外对ZrC 涂层燃料的研究成果，进一步认识其中的关键科学问题，为我国先进核燃料的研发提供基本参考。
2. ZrC 涂层颗粒燃料研究现状从ZrC 涂层燃料的制备技术、高温稳定性、氧化行为、辐照性能等方面概述了ZrC 涂层在核燃料应用方面的研究成果。
李刚等(a)(b)Figure 1.(a) Typical structure of TRISO coated particle with a ZrC coating layer and (b) as-fabricated mi-crostructure of ZrC (C/Zr ≈ 1.0) [11]图1. ZrC-TRISO颗粒结构(a)和ZrC (C/Zr ≈ 1.0)涂层的微观结构(b) [11]2.1. ZrC涂层的制备技术核燃料颗粒的涂层制备多用沉积法，包括物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)。
化学气相沉积工艺具有高的涂覆效率、控制均匀性、改善附着力、实现低孔隙率等方面更有优势，是目前制备燃料涂层的主要方法。
ZrC-TRISO燃料涂层通常用卤化锆和碳氢化合物，在氢气氛下热解反应制备，其中卤化锆主要是ZrCl4、ZrI4、ZrBr4或原位生成卤化锆蒸汽[7][8][9]。
ZrC涂层的化学计量比、涂层结构和性能等对制备工艺和条件(沉积温度、系统压力、反应物浓度等)非常敏感[10][11][12]。
优化涂层工艺以及调控锆源的蒸发、送料、沉积方式，一直是燃料涂层工艺研究的重点，对控制ZrC化学计量范围和涂层微结构具有重要影响[13]。
Liu B [14]从理论和实验上研究了C/Zr比、沉积温度等沉积参数对Zr/C的摩尔比、密度等关键性能的影响。
Biira S [15]研究了ZrCl4分压对ZrC层的生长速率、显微组织(包括晶粒尺寸、晶格常数、晶格应变和位错密度等)的影响。
日本原子能机构(JAEA) [16][17]在基于原位生成卤化锆蒸汽的ZrC 涂层工艺中，证明溴化法是最方便、最可靠的制备ZrC涂层的方法，并且发现更容易制备化学计量比的ZrC；并且已开发出新型ZrC涂层系统，涂层能力是过去的10倍，以氩气为载气，在0℃的温度下蒸发液溴，溴与海绵锆在600℃左右产生ZrBrx气体，在1600℃实现ZrC的化学气相沉积；为进一步研究ZrC 涂层的性能，JAEA和美国橡树岭实验室联合进行了辐照研究，制备的在与进行了辐照研究，ZrC-TRISO 颗粒结构以及ZrC涂层如图1。
制备工艺条件对ZrC涂层成分与结构的影响较大，目前，在准确控制涂层的化学计量比方面，还存在不足，需要加强对涂层成分与结构的调控技术研究。
李刚 等2.2. ZrC 的高温稳定性与SiC-TRISO 燃料相比，ZrC-TRISO 在1700℃以上具有更高的热稳定性，主要归因于在高温下ZrC 可以承受非常大的应变，而SiC 易发生热分解逐渐失去机械完整性。
堆外高温加热对比实验表明ZrC-TRISO (UO 2)燃料可承受在2723 K 加热1 h ，涂层保持完整，而SiC-TRISO 颗粒涂层则发生分解，失去了机械完整性[18]。
对于辐照后的ZrC-TRISO 热试验显示，在2673 K 保温约100 min 后，颗粒涂层开始失效；而同样加热条件下，大多数SiC-TRISO 涂层颗粒失效[19]，测试结果如图2，从统计结果可见，在SiC 涂层出现大量失效的情况下，ZrC 涂层仍可保持结构完整。