注鋅水化學對Zr-Sn-Nb合金腐蝕性能影響
前言
Zr-Sn-Nb合金是一種重要的結構材料，具有優異的耐腐蝕性能和機械性能，在核工業、化工以及航空航天等領域中得到廣泛應用。然而，該合金在特定環境中仍然可能發生腐蝕現象，對其腐蝕性能進行深入研究對于材料的應用和性能提升具有重要意義。
一、試驗材料與方法
選用Zr+(0.8%~1.2%)Sn+(0.2%~0.4%)Nb（簡稱Zr-Sn-Nb）合金作為試驗材料。在實驗室經相應熱軋、冷軋和熱處理後加工至厚度約為2mm的闆材。
利用線切割将Zr-Sn-Nb合金闆材切割成30mm×20mm×2mm的試驗樣品，然後使用體積比為10%HF+45%HNO3+45%H2O的混合溶液對試樣進行酸洗。酸洗後試樣用去離子水沖洗幹淨，經幹燥、尺寸測量和稱重後用于開展均勻腐蝕試驗。
試驗溫度為360℃，試驗壓力為對應溫度下的飽和蒸汽壓。每種水質條件下腐蝕時間為300d，每30d為1個試驗周期。每個試驗周期結束後取出試樣，用去離子水清洗後烘幹并稱重，然後再次放入高壓釜中繼續試驗。
腐蝕試驗結束後，對試樣表面氧化膜形貌、氧化膜物相和氧化膜結構等進行觀察和分析。結果分析與讨論2.1腐蝕增重，Zr-Sn-Nb合金在有/無Zn的硼锂水溶液中腐蝕增重量随試驗時間延長而增加，但經相同腐蝕試驗時間後，Zr-Sn-Nb合金在兩種水質中腐蝕增重量無明顯差別。
二、腐蝕增重
随着Zr-Sn-Nb合金在兩種水質中腐蝕試驗時間的延長，氧化膜中m-ZrO2對應的衍射峰強度明顯提高，表明随着試驗的進行，m-ZrO2的含量升高。
經相同腐蝕試驗時間後，Zr-Sn-Nb合金在2種水質中氧化膜物相組成以及各物相在兩種水質中衍射峰強度無明顯差別，即Zn的加入對Zr-Sn-Nb合金氧化膜物相組成、物相含量無明顯影響。
锆合金在水溶液中腐蝕初期形成t-ZrO2，随着氧化過程的進行，t-ZrO2轉化成m-ZrO2，氧化膜中t-ZrO2轉變為m-ZrO2是控制腐蝕速率的重要因素。由XRD結果可知，Zn的加入對ZrSn-Nb合金氧化膜物相組成、物相含量無明顯影響。
是以，Zn的加入對Zr-Sn-Nb合金腐蝕速率無明顯影響，與腐蝕增重曲線結果一緻。氧化膜截面形貌和厚度為Zr-Sn-Nb合金在無Zn的硼锂水溶液和加Zn的硼锂水溶液中腐蝕300d後氧化膜截面形貌，圖中黃色虛線區域為氧化膜。
Zr-Sn-Nb合金在2種水質中氧化膜截面形貌無明顯差別，氧化膜中均出現少量的橫向裂紋，這種裂紋一般是由垂直于試樣表面的拉應力和平行于試樣表面的壓應力造成的。在每個試樣上選取不同的5個位置測量表面氧化膜厚度，然後取平均值。
測量結果表明：Zr-Sn-Nb合金在無Zn的硼锂水溶液中腐蝕300d後氧化膜平均厚度為4.36μm，Zr-Sn-Nb合金在加Zn的硼锂水溶液中腐蝕300d後氧化膜平均厚度為4.18μm。Zr-Sn-Nb合金在2種水質中氧化膜厚度差别較小。
三、氧化膜形貌
氧化膜微觀結構，Zr-Sn-Nb合金在2種水質中氧化膜微觀結構無明顯差別，在溶液/氧化膜區域主要由等軸晶氧化物組成，在氧化膜/基體區域主要由柱狀晶氧化物組成。所示柱狀晶氧化物區域的柱狀晶氧化物衍射花樣與m-ZrO2的多晶衍射花樣一緻，表明柱狀晶氧化物為m-ZrO2氧化物。
氫化物分布和吸氫濃度對Zr-Sn-Nb合金在有/無Zn的硼锂水溶液中腐蝕300d後試樣氫化物進行觀察。試樣基體内可見蚯蚓狀的氫化物析出，Zr-Sn-Nb合金在2種水質中氫化物的長度和分布密度無明顯差別。
利用EMGA-821氫分析儀測量Zr-Sn-Nb合金在無Zn的硼锂水溶液和加Zn的硼锂水溶液中腐蝕300d後試樣的吸氫濃度。
在無Zn的硼锂水溶液，Zr-Sn-Nb合金吸氫濃度為30mg/kg，在加Zn的硼锂水溶液中，Zr-Sn-Nb合金吸氫濃度為29mg/kg。Zr-Sn-Nb合金在2種水質中吸氫濃度差别較小。因而Zn的加入對Zr-Sn-Nb合金氫化物分布、吸氫濃度無明顯影響。
總結
由于腐蝕過程的複雜性和多因素作用，注鋅水化學對合金腐蝕性能的影響是一個複雜的系統工程。未來的研究可以進一步擴充水化學參數的範圍，并結合更多的表征技術和模拟方法，以全面了解注鋅水化學對Zr-Sn-Nb合金腐蝕性能的影響機制。
