Zr—3工业锆合金的腐蚀性能研究

刘鹏 菅凤侠 吴青山

摘 要：锆合金以其优良的耐腐蚀性能，作为包装及存储材料，应用在石油化工行业中，同时在核工业领域也有着较为广泛的应用。本实验讨论不同温度条件下通过腐蚀极化曲线反应Zr-3合金的腐蚀性能。得到600℃时Zr-3合金的腐蚀电位-420mV，腐蚀电流密度-4.12mA/cm2，具有较为优越的耐腐蚀性。

关键词：Zr-3合金；腐蚀；性能研究

ABSTRACT：Zirconium alloys have excellent corrosion resistance performance， which has a packaging and storage function. It is main application in petroleum & chemical industry. Also have a wide range of applications in the nuclear industry fields. This experiment takes PS268A electrochemical detection instrument measure corrosion polarization curve of Zr-3 alloys， which discussed corrosion resistant performance of Zr-3 alloy. The results are as follow：Corrosion potential and current density of Zr-3 alloy is respectively -420mV and -4.12mA/cm2.

Keywords： Zr-3 alloys； corrosion； performance study

1 锆合金的发展

锆在高温水和蒸汽中都有很强的抗腐蚀性能 [1]，在核反应堆内有相当好的抗中子辐照性能，且有合适的力学性能和良好的加工性能，锆及锆合金是核动力反应堆的燃料包壳材料及其他结构材料等。锆及锆合金的研究与发展与核工业的发展是密切关联的，随着后来大力发展原子能发电站得到推广应用。锆及锆合金以其优越的性能受到各国学者越来越多的关注，虽然目前锆合金的价格稍高，但其耐腐蚀性却战胜了其价格上的劣势[2]。本实验通过热处理后的锆合金，研究其不同条件下腐蚀性能的变化。

2 极化曲线分析

锆是一种活泼金属，从其属于钝化材料这方面来讲，钝化区若遭到破坏会使得锆及锆合金的腐蚀性能迅速下降。从数据中可得每个退火温度段试样的极化曲线图，在不同温度下的极化曲线腐蚀电位和电流密度都有不同的变化，700℃的极化曲线具有较低的电流密度，但是其腐蚀电位太低，550℃的极化曲线腐蚀电位很高，电流密度也较低，由此可得出600℃时极化曲线具有较高的腐蚀电位-390mV和较低的电流密度-4.0mA/cm2，根据极化曲线中腐蚀性能的判断标准，该温度下的腐蚀性优良。

2.1 不同保温时间下Zr-3合金极化曲线分析

根据文献[3]中介绍了Zr-Sn-Nb系合金在480℃和580℃时腐蚀行为的影响，发现在480℃试样的增重会减少，580℃时试样的增重相对增加了，但是腐蚀性却没有多大变化。主要原因是在时效过程中Nb的固溶度随着温度的变化而变化，所以在时效中，Nb的沉积相不一导致了腐蚀性能的变化。本实验中锆合金中存在的第二相粒子的变化对腐蚀会产生很大的影響，得知该条件下的腐蚀电位约为-380mV，腐蚀电流约为-3.0 mA/cm2，根据极化曲线的标准腐蚀电位增大了，但同时腐蚀电流也增加了。该条件下的极化曲线虽然电流密度变大了但腐蚀电位也变大，综合认为在600℃时保温3h的试样腐蚀性能较为优越。

2.2 不同冷却方式对Zr-3合金极化曲线的影响

在600℃、保温3h随炉冷却曲线中的腐蚀电位为：-390mV，而电流密度为：-3.8mA/cm2，与以上的分析对比得出，腐蚀电位从-380mV减小到-390mV，稍有减少约占2.6%，电流密度也从降低了，从-4.10 mA/cm2增加到了-3.8mA/cm2，所以根据极化曲线的判断标准，该条件下的腐蚀电位稍有减少对耐腐蚀性有一定的影响，综合来看，该条件下的Zr-3合金耐腐蚀性较强。图1是三种不同冷却方式下的极化曲线，综合三条曲线来看，随炉冷却试样的耐腐蚀性较为优越。

3 结论与建议

本实验研究表明每个因素对Zr-3合金板材的组织和性能有着显著的影响，结论如下：Zr-3合金在600℃下腐蚀电位平均为-386.6mV，电流密度为-3.8mA/cm2，综合性能优良。

一直以来国内锆及锆合金的主要研究都是集中在核级锆上，所以作者认为对于工业级锆合金的研究领域应该继续加大，还需要考虑的主要因素有以下几个方面：Zr-3合金板的轧制变形规律对腐蚀性能的影响因素；合金元素的添加对Zr-3合金板腐蚀性能的主要影响；第二相粒子的不同对Zr-3合金板材力学性能和腐蚀性能的影响机制。

参考文献：

[1]彭倩，赵文金，刘彦章等.Zr-4合金α相高温区轧制的织构演化[J].核动力工程，2003，24（2）：133-136.

[2]张玉芳，路民旭，朱雅红等.温度对抗环烷酸腐蚀缓蚀剂成膜行为的影响[J].石油炼制与化工，2004，35（8）：67-70.

[3]JeongMinKim，YongHwanJeongandYounHoJung.Correlationofheattreatmentand corrosion behaviorofZr–Nb–Sn–Fe–Cualloys[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology，2000（104）：145-149.