Effects of thermo-mechanical process on phase transitions, hydrogen solubility and corrosion of Ta-modified Zr-1Nb alloys

TMS 2022 151st Annual Meeting & Exhibition Supplemental Proceedings

“…1a-c. As discussed in references [9,13], in all three alloys, the SPP´s arrangement agrees with the well-known precipitation mechanism of Zr-Nb alloys waterquenched from 1000 °C, or more, and annealed for a long time between 500 and 600 °C. The SADP from the particles in the replica is shown in Fig.…”

“…%& ⁄ of the samples in thermodynamic equilibrium reported in Table 1, that is, the enthalpy of formation of the phase 𝛽 !" %& ⁄ should increase with the Ta added to the alloy [13].…”

Phase-field simulation of high-temperature corrosion of binary Zr-2.5Sn alloy

“…锆合金具有中子吸收截面小、热蠕变性能好等优点，是目前商用裂变反应堆 燃料棒最常采用的包壳材料 [1] 。锆合金包壳长期暴露于高温、高压(300~400℃、 16MPa)和强中子辐照的反应堆一回路水环境中，因此在包壳外壁经常发生水侧 氧化腐蚀，严重限制其使用寿命 [2] 。锆合金腐蚀由 O 2-在氧化层中的扩散控制，其 耐腐蚀性能取决于 ZrO2 氧化层对 O 2-和金属基体的隔离能力 [4,5] ，腐蚀增厚曲线 表现为抛物线规律或立方规律 [3] 。近年来，国内外关于锆合金抗腐蚀性能的研究 主要集中于 ZrO2 氧化层失效的机理性分析 [6,7] 。然而，从实验角度再现锆合金服 役工况，并对温度和辐照等条件进行对比研究的成本很高 [8] ，而且锆合金腐蚀周 期很长，实验成本较高。因此，对锆合金腐蚀行为展开理论模拟研究对揭示其腐 蚀机理具有重要意义。 研究表明，温度是影响锆合金腐蚀行为的重要因素 [9][10][11][12] 。实验发现，随着温 度升高(50~100℃的升温)，常见 Zr 合金的腐蚀速率会增加，造成这一现象的原因 是 O 2-扩散系数随温度升高而提升 [9,10] 。锆及其合金含氧体系的热力学自由能随 温度的变化非常剧烈 [11,12] ，而目前的模拟工作将自由能参数简化为常数 [13] ，无法 准确揭示温度对锆合金腐蚀行为的影响。另一方面，晶界是抵抗材料腐蚀的薄弱 区域。在高温高压和强辐照等条件下，金属材料往往会出现晶间腐蚀甚至应力腐 蚀开裂的严重问题 [14] 。目前，大部分关于锆合金腐蚀的模拟工作采用了均匀化假 设，无法模拟锆合金基体多晶微结构影响下的腐蚀形貌演化。 介观尺度的相场方法是模拟材料组织转变的重要工具，近年来已经被成功应 用于材料腐蚀形貌演化的研究 [13,[15][16][17][18][19] 。 Asle 等 [13] 将腐蚀电化学融入相场模型的自 由能势垒，采用单一序参量描述了腐蚀层的一维生长，对 Zr 在 900℃条件下暴露 在常压空气中的腐蚀行为进行了模拟；Mai 等 [18] 将相场模型的自由能势垒与腐蚀 电化学相关联，模拟了不锈钢的均匀腐蚀过程，进而研究了应力对腐蚀速率的影 响。Fang 等 [19] 通过在腐蚀界面上引入感应微电流密度，建立钢筋混凝土结构失效 的腐蚀-扩散相场模型。然而，目前已有的锆合金腐蚀相场模型依然缺少对温度的 定量分析，也无法确定晶界等微结构对锆合金腐蚀行为的影响。此外，Zr-Sn 合 金中合金元素 Sn 的添加对腐蚀行为的影响机理有待深入研究 [10] ，然而目前针对 锆合金腐蚀过程的相场模型中，关于合金元素对锆合金自由能参数的影响大多做 了简化处理 [13] 。因此，构建多晶锆合金腐蚀过程的相场模拟，系统研究腐蚀温度 等热力学因素对腐蚀动力学的影响至关重要。 本工作结合锆合金热力学数据，构建了描述锆合金腐蚀行为的相场模型，引 入锆合金腐蚀电化学能优化了相场模型。之后研究了温度对 Zr-2.5Sn…”