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2苏州热工研究院有限公司,江苏苏州215004)YANG Jiao-xi 1,JIA Wu-ming1,WANG Xin1,WEN Qiang1,ZHANG Yan-wei 2,BAI Guang-hai 2,WANG Rong-shan2(1Institute of Laser Engineering,Beijing University ofTechnology,Beijing 100124,China;2Suzhou NuclearPower Research Institute,Suzhou 215004,Jiangsu,China)锆合金由于具有中子吸收截面低、抗腐蚀性能和力学性能优良等优势而被广泛用作核动力反应堆燃料元件包壳及其他堆内构件[1]。世界各核电大国均一直致力于研制燃耗深、破损率低、可靠性高和经济性好的高性能燃料包壳,同时核反应堆内中子辐照损伤和吸氢腐蚀将导致锆合金力学性能下降,这就要求作为燃料包壳材料的锆合金具有更加优异的耐腐蚀性和力学性能[2-3]。目前提高锆合金耐蚀性的研究方法有电子喷涂、离子注入、超声波喷丸、微弧氧化和激光表面改性处理[4-8],其中,激光表面处理具有功率密度高、精确可控、非接触加工、对基体热影响小和能源清洁等优势。英国Bell等[9]采用密度泛函理论和高压釜腐蚀方法研究了在锆合金中添加Sc,Sb,Nb和Sn等元素的腐蚀行为。结果表明,Nb-Sb-Zr三元合金表现了优异的耐腐蚀性能,而添加Sc元素对锆合金的耐腐蚀性产生不利影响。Lee等[10]采用激光表面合金化技术在Zircaloy-4合金表面添加Nb元素,并研究了其腐蚀行为。Yeom等[11]采用等离子气相沉积和激光表面处理技术在锆合金表面制备Ti2AlC涂层,结果表明,激光退火提高了涂层的保护性能。国内对于锆合金的耐腐蚀性能也进行了大量研究:陈鑫等[12]归纳总结了热处理对锆合金耐腐蚀性能的影响,发现针对不同的腐蚀环境、不同类型的锆合金材料需采用不同的热处理工艺;Yang等[13]采用微弧氧化+准分子激光复合处理技术在Zr-1Nb合金表面形成致密的氧化薄膜以提高其耐蚀性;杨忠波等[14]研究Nb含量对Zr-xNb-0.4Sn-0.3Fe合金耐腐蚀性能的影响,结果表明,x从0增加至1时,合金在纯水和过热蒸汽中的腐蚀增重逐渐增加,但在LiOH水溶液中的腐蚀增重减少。但目前国内使用激光熔凝工艺提高锆合金耐蚀性能的研究鲜有报道。本工作主要研究不同激光熔凝工艺参数对锆合金组织和性能的影响及其与表面粗糙度、耐蚀性能的关系;并研究退火热处理对经激光熔凝处理后的锆合金组织与耐蚀性能的影响。1实验材料与方法实验基体材料选用国产Zr-1Nb(0.95%~1.1%Nb,质量分数,下同)合金包壳管,直径为9.50mm、壁厚为0.56mm。激光表面处理之前需要用丙酮对锆管表面擦拭清洗。使用DC035Slab CO2激光器及六轴联动数控加工机床进行激光熔凝工艺实验,激光波长为10.6μm。实验时,激光直接作用于锆管表面,正离焦25mm得到直径约为1mm的圆形光斑,激光扫描的搭接率为20%,激光辐照时对锆管表面作用区域进行氩气保护,锆管内孔通水冷却,防止锆管过热熔透。薄壁锆管的激光熔凝参数如表1所示。将激光熔凝处理后的部分锆管放入真空管式高温炉(GSL-1600X)中进行去应力热处理,管式炉内连续通入氩气以达到隔绝空气的效果,退火温度为475℃,热处理的时间-温度曲线如图1所示。表1激光熔凝和热处理工艺参数Table 1 Process parameters of laser

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