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锆合金是水冷核动力电站、核潜艇中反应堆用包壳材料及堆内结构材料,由于锆合金所处的高温、高压、高辐照通量、高纯水环境,因而锆合金的腐蚀与氧化性能研究为核材料科学领域研究的热点之一。当前核领域提出的深燃耗、长寿期、零破损目标使提高锆合金的耐腐蚀与抗高温氧化性能有更加重要的学科、经济和安全意义。本文系统研究了稀土元素:钇、镧、铈,锆自身离子及Zr-4合金化元素:铬、镍、锡,以及难熔金属钼离子和惰性气体氪离子等的注入对锆合金的耐蚀性和抗高温氧化性能的影响。出主要创新性成果如下:①低注量钇注入纯Zr是增加腐蚀的,高注量钇注入纯Zr是减少腐蚀的。这是离子注入表面损伤和三氧化二钇氧化保护综合作用的结果。②镧注入纯Zr是减少腐蚀的,注量越大效果越好。主要原因是氧化物阻挡层三氧化二镧的浓度随注量增加。镧离子注入提高了锆合金的抗高温氧化性能,这是由于镧离子注入后,锆合金表面氧化物由疏松的单斜相氧化锆转变为致密的四方相氧化锆。③铈注入锆合金后以CeO2和CeH3两种形式存在。铈注入纯Zr增加腐蚀,而注入Zr-4合金则减少腐蚀。这是由于CeH3能促进阳极反应。④用Zr-4合金化元素铬、镍、锡离子分别注入锆合金来研究其耐蚀性能,铬注入纯Zr是减少腐蚀的。低注量的铬离子注入能显著改进Zr-4的耐蚀性,这是由于氧化保护和辐照损伤综合作用造成的。镍注入纯Zr是增加腐蚀的;低注量镍注入Zr-4是减少腐蚀的,而高剂量是增加腐蚀的。这是由于Ni2O3、Ni、氧化保护和辐照损伤共同作用的结果。低注量锡注入,对于纯Zr和Zr-4都是减少腐蚀的;而当高注量时,在锆合金表面产生大量锡球并增加了腐蚀。⑤发现注入的钼是以Mo和MoO3两种形式存在,钼注入纯Zr是增加腐蚀的。低注量钼注入Zr-4是减少腐蚀的,而高注量是增加腐蚀的。这是由于氧化物阻挡层MoO3、单质态Mo、氧化保护和辐照损伤共同作用造成的。钼离子注入锆合金后抗高温氧化性能变差。这是由于高温下MoO3极易挥发。⑥锆自离子轰击纯Zr样品耐蚀性经历了先下降,然后上升又下降的过程,这是由于氧化保护和辐照损伤的综合作用造成的;尝试用慢正电子谱仪研究锆<WP=5>自离子轰击锆合金,研究表明:轰击样品的S参数与其耐蚀性有一定的对应关系。⑦300keV高能氪离子轰击纯Zr是增加腐蚀的,其主要原因是辐照损伤。⑧综合上述研究成果,提出来各种离子注入导致耐蚀性与抗高温氧化性能发生改变的决定因素为氧化膜的致密程度的变化,而非厚度的影响。研究成果已在国外Journal of the Electrochemical Society, Electrochimica Acta, Journal of Nuclear Materials等8种刊物上发表20篇论文。