责编 明 秋
校对 筱 萍
审发 祁 萍
图片来源：非晶中国大数据库
核能已经成为一种可靠、清洁和经济可行的基本负荷电力来源。为了进一步推动核能在可靠性、安全性和成本效益方面的进步，必须有效应对核材料面临的各种挑战。锆-4合金（Zr-4）由于其出色的特性（例如低中子截面、耐腐蚀性和高强度）而被广泛用作轻水反应堆中的燃料包壳材料。然而，Zr-4与高温蒸汽的氧化动力学在冷却剂损失事故（LOCA）的发生中显著加速，导致在升高的温度和水/蒸汽环境中产生氢气。在严重的情况下，这可能导致氢爆炸，随后将高放射性裂变产物释放到环境中。因此，有必要开发抗氧化材料来替代Zr-4或在Zr-4燃料包壳上制备抗氧化涂层，以保持包壳在正常运行时的性能，并提高异常高温或LOCA条件下的安全裕度和应对时间。
MAX相是一组分层的、可加工的早期过渡金属氮化物和碳化物，展示了金属和陶瓷特性的独特组合。由于其显著的特性，MAX相经常被建议用于核环境。具体而言，Ti3AlC2陶瓷（MAX相系列的代表性成员）表现出极高的抗氧化性、抗非晶化能力和出色的耐辐照损伤性。这些特点使其成为先进核系统的极有希望的候选者。使用适当的连接技术在Ti3AlC2和Zr-4之间建立坚固的界面连接，使每种材料能够充分最大化其固有性能，而无需更换Zr-4合金，并显著有助于延长覆层材料的耐久性和操作阈值。
扩散连接是陶瓷和金属行业中常用的方法。但现有研究表明，Ti3AlC2和Zr-4之间的扩散结合会形成许多金属间化合物（IMC），特别是ZrxAly，其在界面处的存在导致低的机械性能。值得注意的是，MAX相陶瓷通常使用冷喷涂工艺沉积在Zr-4上，以提高Zr-4燃料包壳的事故容限。这一策略大大有助于延长覆层材料的耐久性和操作阈值。然而，涂层材料和燃料包壳之间的相互作用类似于扩散结合过程，并且仍然导致在高操作温度下形成ZrxAly相。
为了避免这些ZrxAly IMC的形成，提出了一种新的策略，通过引入铜作为中间层，在900 ℃下实现Ti3AlC2和Zr-4的高强度连接。所得的界面微观结构揭示了ZrC层，而不是脆性ZrxAly IMC在界面处。ZrC具有较高的熔化温度和较低的中子吸收截面，与Ti3AlC2形成双层保护结构，可以提高Zr-4燃料包壳的事故容限。然而，实现Cu中间层（5μm）与Zr-4基材的完全反应需要延长的停留时间，通常超过30分钟。重要的是，在高温下延长连接时间可能会导致基材的微观结构变化和性能下降。因此，寻求Zr-4与Ti3AlC2的快速连接新策略具有重要意义。钎焊被认为是一种方便可靠的连接方法，可以在相对较短的时间内连接多个复杂的结构。值得注意的是，迄今为止，关于Zr合金与MAX相陶瓷的钎焊的研究仍然非常有限。
近日，哈尔滨工业大学曹健、李淳教授等研究探讨了使用非晶态钎料合金对Zircaloy-4和Ti3AlC2陶瓷进行钎焊的可行性，并分析了钎焊温度对接头性能的影响。研究发现，钎焊温度对接头的微观结构和机械性能有显著影响。相关研究成果以“Brazing Zircaloy-4 to Ti3AlC2 using Ti-Zr-Cu-Ni amorphous alloys: Microstructural evolution and mechanical properties”为题在Materials Science & Engineering A上发表。
研究人员使用Ti-13Zr-21Cu-9Ni（重量百分比）非晶态合金在840至990℃的温度范围内成果钎焊了Ti3AlC2MAX相陶瓷与Zr-4合金。实验评估了真空钎焊Ti3AlC2/Zr-4接头的微观结构演变、界面相和机械性能。主要结论概述如下：观察到的界面结构显示出明显的多层特征。典型的接头微观结构是Ti3AlC2/ZrC/α-Zr(Ti)+[Zr(Ti)]2Cu+[Zr(Ti)]2[Cu(Ni)]/α-Zr(Ti)/α-Zr。在900℃以下的温度下，非晶态合金的不完全熔化限制了Zr-4合金的溶解，导致在残留的非晶态合金中沉淀出[Zr(Ti)]2[Cu(Ni)]。多晶Ti3AlC2的分解发生在加热过程中Al的脱层，然后通过与熔化非晶态合金的反应，在Ti3AlC2侧界面形成了不同厚度的ZrC碳化物颗粒层。这层碳化物颗粒层展现出有利的热膨胀系数，因为它与Ti3AlC2和Zr-4都匹配。ZrC的硬度和模量超过了钎焊接头内其他相和基体，使其在机械性能测试中成为最弱层。Zr-4侧界面结构的演变过程可以描述为：在非晶态合金熔化后，液态填充合金中的Zr含量逐渐增加，而Cu和Ni由于Zr-4的溶解而减少。这种在固/液界面的组成变化导致在保温过程中从Zr-4到熔化非晶态合金的等温凝固。当应用短时间保温时，α-Zr(Ti)枝晶无法填充整个钎焊接头，含有更高Ni和Cu的残余液态相留在接头中心。在随后的非平衡凝固过程中，[Zr(Ti)]2[Cu(Ni)]首先沉淀，然后通过残留熔化填充合金中的共晶反应形成α-Zr(Ti)+[Zr(Ti)]2Cu共晶结构。随着连接温度的升高，剪切强度先快速增加然后逐渐降低。在930℃下仅钎焊5分钟的样品实现了最大剪切强度187±34MPa。断裂路径分析表明，接头主要在高硬度的ZrC层内断裂，而不是在网状[Zr(Ti)]2[Cu(Ni)]偏析相内，裂纹向Ti3AlC2侧偏转。分布在钎焊缝中的网状[Zr(Ti)]2[Cu(Ni)]金属间化合物对接头强度影响有限。ZrC陶瓷颗粒层的厚度、形态和硬度影响接头的强度，而接头中的金属间化合物对其强度的影响最小。
该工作得到了国家自然科学基金项目、中央大学的基础研究基金和黑龙江省博士后基金的资助。
文章来源于先进焊接技术。
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