隨著世界經濟的快速發展和現代科技的迅猛發展，核能的開發和利用日益受到關注。相對于火電，核電是一種經濟、安全、可靠、清潔的新能源，但其帶來的核電安全問題也是不容忽視的。

由于鋯合金的機械性能優異，耐腐蝕性能良好，目前大多數核反應堆選用鋯合金作為核燃料包殼管材料。在過去的幾十年中，鋯合金已經發展為三大系列，即Zr-Nb、Zr-Sn和Zr-Sn-Nb。在這三個系列的基礎上，添加Fe、Cr、Ni、Cu等合金金屬后，形成了工業化的Zircaloy-2（Zr-2）、Zircaloy-4(Zr-4)等鋯合金。Zr-2和Zr-4合金均已商業化，Zr-2的合金成分為Zr-1.5Sn-0.15Fe-0.1Cr-0.05Ni, Zr-4的合金成分為Zr-1.5Sn-0.2Fe-0.1Cr，由于Ni的添加會造成鋯合金吸氫，引發氫脆，故研究者們降低了Ni的含量，增加Fe的含量以彌補Ni減小引起的鋯合金力學性能的不足，以此發展了一種新的鋯合金Zr-4。Zr-4被稱為核電用第一代鋯合金，廣泛用于輕水堆燃料的包殼材料。

2011年日本福島核電事故的發生，使得研究者們對鋯合金包殼材料提出了更高的要求，根據美國管理委員會（Nuclear Regulatory Commission，簡稱NRC）對核電包殼材料的標準，包殼材料的最高耐受溫度為2200°F（1204°C）。因此作為核電包殼材料，需要滿足耐高溫水蒸氣氧化性能，當冷卻劑缺失時，可以降低包殼材料的熱量和氫氣的釋放量，為事故搶修爭取時間。

為了解決這個問題，國內外很多研究者對鋯合金的表面防護涂層進行了大量研究，具體的涂層包括Cr基涂層、MAX涂層、Fe基涂層等。其中Cr基涂層的耐腐蝕性最佳，抗氧化能力優異，且金屬Cr與鋯合金的熱膨脹系數相匹配，被認為是最有發展前景的鋯合金表面防護涂層。

本文利用耐馳同步熱分析儀STA 449F3研究了Cr基涂層在1200°C水蒸氣條件下對Zr-4合金基底的抗氧化性能，并與Zr-4合金基底進行了比較。

儀器：Netzsch STA 449F3

圖1是Cr coated Zr-4 合金和Zr-4 合金基體在1200°C高溫水蒸氣（絕對水蒸氣濃度90%）條件下，恒溫1h的TG對比曲線。氧化TG曲線顯示，涂層鋯合金（Cr coated Zr-4 合金）經1200°C高溫水蒸氣氧化1h，其質量增重百分數約為12.30%，而Zr-4合金基體在相同氧化條件下的質量增重百分數約為16.79%。在氧化性能的測試中，氧化增重速率是衡量材料氧化的一項重要指標。從圖1可知， Zr-4合金基體的氧化增重速率明顯快于Cr涂層鋯合金的氧化增重速率，即Cr涂層鋯合金的高溫抗氧化性能明顯優于Zr-4合金基體。

圖1 Cr coated Zr-4 合金和Zr-4 合金基體在1200°C高溫水蒸氣（絕對水蒸氣濃度90%）條件下，恒溫1h的TG對比曲線

圖2 高溫水蒸氣氧化處理后的Cr coated Zr-4 合金和Zr-4 合金基體的形貌圖。（第一行：Zr-4 合金基體；第二行：Cr coated Zr-4 合金；從左到右分別是樣品的頂部、側面、底部）

通過STA高溫水蒸氣氧化實驗，評判了涂層鋯合金（Cr coated Zr-4 合金）對鋯合金基底的防護效果。耐馳同步熱分析儀擁有豐富的配置，可以通過STA來模擬樣品在實際使用環境下的性能，可研究對應溫度、氣氛、濕度等因素對材料性能的影響。

作者

盛沈俊

耐馳儀器公司應用實驗室