特邀报告锆合金包壳耐事故涂层新材料探索
编号：43
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更新：2024-04-24 09:46:09
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摘要
核能是“双碳”目标的必然选择，其中锆合金被称为核电站的心脏材料。福岛事件以后，各个核能大国致力于寻找适应新型锆合金的容错与防护涂层。我们依托锆合金中常见的合金化元素，以非晶Zr-Si体系为基础，借助计算材料学构筑表面微纳结构，利用溅射镀膜装备开发耐事故涂层新材料。研究在服役条件下的组织演化，服务国家重大需求。设计了Zr-Si多层膜结构，证实了锆的界面硅化过程以及Zr-Si-O非晶钝化膜的选择路径，建立了多层膜的多级防护屏障。设计了Zr-Si非晶涂层。利用氧化诱导化学键重构来优化非晶态ZrxSi1-x氧化过程中的相选择路径。基于扩散限域调节氧化初始阶段的Zr/Si分离，自强化转变为非晶双层结构，在亚临界环境下协同阻碍水氧的渗透。设计了Zr-Si-O非晶涂层。基于SiOx四面体和ZrOx多面体的连续混合，解决了高温高压水环境下硅的腐蚀溶出问题。根据第一性原理和原子键合表征，从Zr/ZSO、ZSO/H2O两界面的稳定性和元素扩散的角度，建立了非晶ZSO涂层的稳定机制。设计以锆硅为基的多主元高熵涂层。正常工况下基于氧亲和势、元素化学势以及扩散动力学匹配，控制成分和相分离，实现非晶高熵硅化物到高熵氧化物的线性转变，提高阻氧、阻水能力。事故状态下通过氧诱导的元素特殊扩散，实现了热力学和动力学交互作用下混合氧化体系和氧化分层结构的可控转变。基于Al、Zr、Cr纳米相的协同偏析，修复涂层内部复杂元素扩散造成的孔洞，获得了机械性能和抗氧化性能的协同增强。通过表面氧化层、残余涂层以及涂层基体界面结合三个角度的优化探索，解决了涂层氧化过程中常见的起皮、开裂以及阻氧效果差三大性难题。
关键词
金属硅化物；高熵效应；分层结构；选择性扩散；协同防护
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