摘要
能源问题日益成为社会发展过程中备受关注的重大问题，核能已被证明是一种可靠的，环境可持续的，具有成本效益的大规模电力来源。核能的开发和利用符合当今社会绿色发展和可持续发展的理念，因而备受关注。锆合金由于其具有比较低的热中子吸收截面和在辐射条件下比较好的韧性，常被用作和燃料的包壳材料。在2011年福岛核电站事故之后，能够提高提高核电站安全性的事故容错材料受到了广泛关注并亟需研发。在锆合金表面制备涂层是一种行之有效的方法，目前锆合金保护涂层的研究主要是为了开发抗氧化腐蚀性能比较好的材料。本文在锆合金包壳制备了几种常用的陶瓷和金属涂层，对比研究了它们的电化学耐蚀性和高温耐蚀性，对于锆合金表面涂层的安全选用具有重要的科学意义和工程价值。 本文采用电弧离子镀的方法在Zr-4合金表面制备了TiN涂层、TiAlN涂层、TiAl涂层和CrAl涂层，分别研究了四种涂层的电化学耐蚀性和高温耐蚀性，根据实验结果得出如下结论： (1)在Zr-4合金表面制备了以(111)晶面取向为主具有典型面心立方结构的TiN涂层，以(200)晶面取向为主的TiAlN涂层以及多种物相结构并存的TiAl和CrAl金属涂层。 (2)通过浸泡腐蚀实验可以发现，四种涂层在中性NaCl溶液中的耐蚀性都比较好，四种涂层的物相结构均未发生明显改变。在KOH溶液中四种涂层的耐蚀性均好于Zr合金基体，TiAl和CrAl两种金属涂层表面均发生了明显的氧化，TiAlN涂层表面发生了断裂，TiN涂层的表面结构保持完整，耐蚀性最好。在电化学实验中四种涂层对Zr合金基体的保护效果都比较明显，在中性NaCl溶液和KOH溶液中TiN涂层都表现出了最好的耐蚀性，陶瓷涂层的电化学耐蚀性整体上要优于金属涂层。 (3)通过高温空气氧化实验发现，TiAl和CrAl两种金属涂层抗氧化性明显优于TiN和TiAlN两种陶瓷涂层，TiN涂层的工作温度在600℃以下，TiAlN涂层的工作温度应设置在800℃左右，TiAl涂层的工作温度可以达到800℃-1000℃，CrAl涂层在1000℃时依旧有良好的抗氧化性。 (4)通过高温蒸汽氧化实验发现，由于CrAl涂层在氧化时会产生致密的Al2O3和Cr2O3的氧化膜，可以阻碍氧元素和涂层元素的相互扩散，因此CrAl涂层的抗高温水蒸气氧化性能要明显优于TiAlN涂层。 (5)综合对比两种陶瓷涂层和两种金属涂层的抗氧化性能来看，在常温水溶液作为腐蚀介质的条件下，TiN所代表的陶瓷涂层抗腐蚀性较好；在高温氧化过程中CrAl涂层代表的金属涂层抗氧化性能要明显优于陶瓷涂层，基于此结果设计金属和陶瓷的复合包壳涂层以应对更复杂的工作环境是可行的。
NETL