Ti-AL-C系MAX相陶瓷的超临界水腐蚀性能研究

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轻水是一种重要的冷却剂,目前提出的轻水堆主要有压水堆(PWR,pressurized waterreactor)、沸水堆(BWR,boiling water reactor)以及超临界水冷堆(SCWR,supercriticalwater-cooled reactor)。超临界水反应堆作为四代堆中的一种,具有高热效率、高核燃料利用率、结构简化等诸多优势,而目前锆合金是轻水堆燃料元件的重要组成部分,但锆合金包壳本身存在一些问题包括水中的腐蚀、吸氢等,此外,随着SCWR的提出,锆合金已经不能满足其严酷的工作环境,使得对新型包壳材料的探索成为了一个重要研究方向。  MAX相材料(M为过渡金属元素;A为主族元素;X为C或N)具有优异的热物性,被认为是潜在的GenⅣ的包壳材料。已经证明Ti3AlC2的腐蚀性能优于Ti3SiC2,但是关于其在高氧含量下的腐蚀性能还需要进一步探究,且关于Ti2AlC水热腐蚀性能的未见报道。此外,MAX相的晶粒为层状结构,这种结构的各向异性可能会产生性质的各向异性。为了进一步改善材料的抗腐蚀性能,探究材料的各向异性腐蚀是非常有必要的。本论文首先通过反应烧结工艺制备了Ti3AlC2和Ti2AlC陶瓷,然后对材料的常规性能和腐蚀行为进行了初步研究。并通过热锻方法制备了织构化的MAX相,研究了织构化与非织构化材料在500℃、25 MPa下静态超临界水中的腐蚀行为。  1)探究了时间和溶氧量对材料腐蚀的影响。结果表明,当处于单位表面增重随时间的变化符合线性规律时,反应热压的Ti3AlC2和Ti2AlC在低溶氧量(20 ppb)时的线性速率常数略大于在高溶氧量(800 ppb)的线性速率常数。腐蚀后样品的SEM表明,陶瓷材料中第二相TiC的存在使得材料表面生成了TiO2的疖状腐蚀,其局部氧化层厚度约为正常区域的30倍。在整个水热腐蚀的过程中,氧化层的主要成分为TiO2和Al2O3以及C。抗水热腐蚀性能为Ti3AlC2>Ti2AlC》TiC。  2)为了进一步探究晶粒取向和抗腐蚀性能之间的关系,制备了织构化的MAX相。热锻后,XRD,EBSD和ECC结果均显示了热锻过程促进了更高程度织构化的形成。对热锻后的材料进行了四点弯曲测试,Ti3AlC2和Ti2AlC的强度与热锻前相比分别提高了23.23%和21.77%,且相对密度略有提高。  3)静态水热腐蚀抗测试的结果表明:织构化样品同非织构化样品一样,遵循线性动力学规律,但织构化样品的抗腐蚀性能略优于非织构化样品;此外,织构化样品还显示出各向异性的腐蚀行为,其在垂直热锻压力方向的抗氧化性能要优于平行热锻压力方向的抗氧化性能。
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