锆合金由于其具有较小的中子吸收截面,较好的力学性能、耐腐蚀性能和抗辐照性能,被广泛应用于核反应堆结构材料。提高锆合金的性能,包括力学性能,抗蠕变性能和耐腐蚀性能有利于提高核反应堆的安全性。Sn、Mo、Nb和Fe是锆合金材料重要的添加元素,Fe的存在有利于提高锆合金的耐腐蚀性能,Mo可以提高锆合金的抗蠕变性能。本项目拟研究Zr-Sn-Mo-Nb-Fe多元锆合金组织与性能变化的关系。项目采用万能拉伸试验机、硬度计、纳米压痕测试仪、电化学工作站和透射电子显微镜(TEM)等仪器研究Zr-1.0Sn-xMo-1.0Nb-0.1Fe(x = 0.2,0.4,0.6,0.8,wt.%)和Zr-1.0Sn-0.5Mo-1.0Nb-yFe(y=0.1,0.3,0.5,0.8,wt.%)系列锆合金力学性能、抗蠕变性能、耐腐蚀性能和微观组织结构随着Mo和Fe含量的变化关系。作为揭示合金相变规律(Zr-Sn-Mo-Nb-Fe五元合金相图)研究工作的一部分,项目还利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)等仪器研究了(Zr-2.0Sn)-Nb-Fe伪三元体系富(Zr-2.0Sn)区700 ℃C等温截面。上述工作获得以下重要的研究成果:(1)研究了随着Mo含量变化的Zr-1.0Sn-xMo-1.0Nb-0.1Fe(x = 0.2,0.4,0.6,0.8,wt.%)合金的相关性能。在力学性能方面,Mo含量为0.4 wt.%的锆合金,屈服强度和抗拉强度分别为722.1 MPa和867.3 MPa,其强度最高,塑性为33.0%,仅次于Mo含量为0.8 wt.%的锆合金,其塑性为37.4%。随着Mo含量的增加,锆合金的硬度整体呈增加趋势,杨氏模量呈下降趋势。随着Mo含量的增加,锆合金的抗蠕变性能增加;Mo含量为0.8 wt.%时,抗蠕变性能最好,利用纳米压痕法测试发现,该锆合金在加载载荷为40 mN时,蠕变应力指数达到3.8,高于纯锆的蠕变应力指数。研究发现,蠕变应力指数也随着最大加载载荷的增加而增加,但合金蠕变性能的变化趋势不变。在耐腐蚀性能方面,Mo的添加可以在一定程度上提高锆合金的耐腐蚀性能,利用失重法测出Mo的添加量为0.2 wt.%的锆合金,其腐蚀速率仅为0.002 mg.cm-2·h-1,电化学测试结果表明该合金的腐蚀电流密度为4.68×10-5 mA.cm-2,其阻抗为2118.36Ω·cm2。三组实验均表明当Mo的添加量为0.2 wt.%时,锆合金的耐腐蚀性能最好。(2)研究了随着Fe 含量变化的 Zr-1.0Sn-0.5Mo-1.0Nb-yFe(y = 0.1,0.3,0.5,0.8,wt.%合金的相关性能。在力学性能方面,当Fe的添加量为0.5 wt.%时,锆合金的屈服强度、抗拉强度和塑性分别为681.1MPa,814.6 MPa和30.2%,强度达到最大和塑性最好。随着Fe含量的增加,硬度整体趋势在增加,杨氏模量呈现一个下降的趋势,其中硬度和杨氏模量均随着加载载荷的增加而增加。在抗蠕变性能方面,随着Fe含量的增加,锆合金的抗蠕变性能先增加后减小,其中Fe含量为0.1 wt.%时,抗蠕变性能最好,其蠕变应力指数在加载载荷为40 mN时达到3.5,小于纯锆和其他Fe含量的锆合金。在耐腐蚀性能方面,Fe的添加可以在一定程度上提高锆合金的耐腐蚀性能,Fe含量为0.1 wt.%时,利用失重法得出的腐蚀速率为0.033 mg·cm-2·h-1,电化学测试得出的腐蚀电流密度为1.80×10-5mA·cm-2,阻抗为1636.84 Ω.cm2。三个研究结果均表明Fe含量为0.1 wt.%的锆合金耐腐蚀性能最好,随着Fe含量的增加耐腐蚀性能变差。(3)建立了(Zr-2.0Sn)-Nb-Fe伪三元体系富(Zr-2.0Sn)区700 ℃等温截面相图。确定(Zr-2.0Sn)-Nb-Fe伪三元体系700 ℃等温截面在富(Zr-2.0Sn)区域由1个单相区、8个两相区、8个三相区和3个四相区组成。研究发现,(Zr-2.0Sn)-Nb-Fe 伪三元体系富(Zr-2.0Sn)区存在(a-Zr)+(β3-Zr)+(ZrNb)2Fe +θ,Zr2Fe + Zr(NbFe)2 +(ZrNb)2Fe + θ和 Zr(NbFe)2 +(β-Zr)+(β-Nb)+ θ这 3个四相区。