摘 要:通過恒壓微弧氧化設(shè)備在鋯合金基體表面制備了微弧氧化涂層,運(yùn)用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)涂 層試樣的拉伸過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,通過聲發(fā)射特征參數(shù)的分析與拉伸斷口形貌的觀察,研究了涂層 試樣的拉伸失效過程,并運(yùn)用快速傅里葉變換識(shí)別了涂層拉伸失效的頻率特征。結(jié)果表明:微弧氧 化涂層對(duì)鋯合金拉伸性能的影響主要表現(xiàn)在拉伸過程中的塑性階段;在拉伸過程中,涂層中的微裂 紋隨機(jī)向各個(gè)方向擴(kuò)展,導(dǎo)致涂層在塑性階段(132~222s)發(fā)生集中性剝離脫落現(xiàn)象,且試樣斷裂 前涂層已基本從基體上脫落,僅在斷口的局部區(qū)域零星分布一些不規(guī)則形狀的涂層;涂層拉伸失效 的頻率特征是在0.023,0.039,0.055MHz處出現(xiàn)了3個(gè)強(qiáng)烈的信號(hào),并在大于0.8 MHz的頻段中 出現(xiàn)微弱的穩(wěn)定信號(hào)。

關(guān)鍵詞:鋯合金;微弧氧化;拉伸失效;聲發(fā)射技術(shù);涂層

中圖分類號(hào):TG410.20 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1000-3738(2022)06-0071-07

0 引 言

鋯(Zr)合金因具有優(yōu)異的物理化學(xué)性能而廣泛 應(yīng)用在核反應(yīng)堆中[1-3]。在正常運(yùn)行的核反應(yīng)堆內(nèi) 部,鋯合金通常直接暴露在輻照和高溫高壓的環(huán)境中[4],極端的服役環(huán)境對(duì)鋯合金具有極強(qiáng)的腐蝕、氫 化等作用[5-7],導(dǎo)致部件失效,這對(duì)鋯合金結(jié)構(gòu)件的 穩(wěn)定性和核反應(yīng)堆設(shè)備的安全性都造成了嚴(yán)峻挑 戰(zhàn),因此研究人員一直致力于提升鋯合金材料的綜 合性能。目前主要有2種方法來提高核反應(yīng)堆鋯合 金材料的綜合性能,一種是研發(fā)性能更優(yōu)異的新型 鋯合金材 料,另 一 種 是 在 原 有 鋯 合 金 表 面 制 備 涂 層[8-9],后者被認(rèn)為是最簡單有效的方法,可以在短 期內(nèi)完成材料性能的整體快速升級(jí)[10],因而受到廣 泛關(guān)注。

微弧氧化是一種常見的表面改性方法,已經(jīng)成 熟地應(yīng)用于一些典型的金屬材料上[11-12],以增強(qiáng)材 料的耐腐蝕和耐磨性能[13-14]。目前,有關(guān)用微弧氧 化方法在鋯合金表面制備涂層來提升性能的研究已 有一些初步的探索,例如:CHENG 等[15]在 Zr-2合 金表面制備了微弧氧化涂層,增強(qiáng)了合金表面的耐 磨性能;YANG 等[16]用微弧氧化方法在 Zr-1Nb合 金管表面制備了一層涂層,提升了其耐腐蝕性能; MATYKINA 等[17]用磷酸鹽體系對(duì)鋯合金進(jìn)行微 弧氧化處理,發(fā)現(xiàn)表面涂層具有極優(yōu)異的耐腐蝕性 能;XUE 等[18]用硅酸鹽體系對(duì)鋯合金進(jìn)行微弧氧 化處理,發(fā)現(xiàn)涂層具有良好的耐腐蝕性能。雖然微 弧氧化涂層能夠增強(qiáng)鋯合金的性能,具有較好的應(yīng) 用潛力,但在實(shí)際工程中,采用不同電解液體系得到 微弧氧化涂層與基體的結(jié)合性能差異較大,這限制 了其應(yīng)用范圍,因此評(píng)估涂層與基體的結(jié)合性能及 涂層的破壞失效過程是十分有必要的。核電包殼管 表面涂層具有復(fù)雜的工況條件,易發(fā)生破壞失效,從 而對(duì)整個(gè)核電系統(tǒng)的安全運(yùn)行造成影響,因此需要 通過分析涂層的失效行為以掌握涂層開裂特性、優(yōu) 化涂層參數(shù),并最終提高包殼管的服役性能,而目前 關(guān)于這方面的研究報(bào)道較少。如果能對(duì)鋯合金微弧 氧化涂層破壞失效過程實(shí)施全程監(jiān)測,則有助于掌 握涂層/鋯合金基體界面失效機(jī)理,為相關(guān)表面技術(shù) 在核電領(lǐng)域的應(yīng)用提供前期的試驗(yàn)及理論依據(jù)。因 此,找到一種有效的方法對(duì)微弧氧化涂層破壞失效 全過程實(shí)行監(jiān)測是問題的關(guān)鍵。

材料在產(chǎn) 生 裂 紋 或 變 形 時(shí) 會(huì) 釋 放 應(yīng) 變 能,從 而產(chǎn)生應(yīng) 力 波。利 用 采 集 的 這 些 應(yīng) 力 波 信 號(hào),對(duì) 材料 進(jìn) 行 動(dòng) 態(tài) 無 損 檢 測 的 技 術(shù),稱 為 聲 發(fā) 射 技 術(shù)[19]。聲發(fā)射技術(shù)通常對(duì)重組切割原始波形流信 號(hào)后讀取出 的 特 征 參 數(shù) 進(jìn) 行 分 析,常 用 于 數(shù) 據(jù) 分 析的特征參 數(shù) 包 括 幅 值 和 能 量,其 中 幅 值 是 指 一 段時(shí)間間隔 內(nèi) 信 號(hào) 的 最 大 峰 值,能 量 是 指 信 號(hào) 在 一段持續(xù)時(shí) 間 內(nèi) 振 蕩 的 包 絡(luò) 面 積,不 同 于 幅 值 的 點(diǎn)信號(hào),能量類似于面信號(hào),比幅值更能監(jiān)測到涂 層相對(duì)于基體的信號(hào)差異[20]。作為一種實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài) 的無損檢測 技 術(shù),聲 發(fā) 射 技 術(shù) 已 在 熱 障 涂 層 的 失 效研究中得到廣泛的應(yīng)用[21],而目前未見有關(guān)將 這種技術(shù)運(yùn)用在微弧氧化涂層的失效評(píng)估方面的 研究報(bào)道。因 此,作 者 運(yùn) 用 聲 發(fā) 射 技 術(shù) 對(duì) 鋯 合 金 微弧氧化涂 層 試 樣 的 拉 伸 過 程 進(jìn) 行 實(shí) 時(shí) 監(jiān) 測,通 過聲發(fā) 射 特 征 參 數(shù) 的 分 析 與 拉 伸 斷 口 形 貌 的 觀 察,建立聲發(fā) 射 信 號(hào) 特 征 參 數(shù) 與 涂 層 拉 伸 失 效 過 程之 間 的 關(guān) 系,并 通 過 快 速 傅 里 葉 變 化 (fast Fouriertransform,FFT)對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行頻譜分 析,識(shí)別涂層拉伸失效產(chǎn)生的特征頻率。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為 Zr-4合金板材,其化學(xué)成分(質(zhì)量 分?jǐn)?shù)/%)為1.5Sn,0.2Fe,0.1Cr,余Zr。合金表面微 觀形貌如圖1所示,可見表面平整光滑,在合金板上 截取尺寸如圖2(a)所示的拉伸試樣。采用 QX-30 型微弧氧化設(shè)備在拉伸試樣上制備微弧氧化涂層, 電解液為硅酸鹽體系,具體組成為15g·L -1 KOH、 30g·L -1 Na2SiO3、3g·L -1 NaF,所用試劑均為化 學(xué)純;采用恒電壓模式,工作電壓為380V,頻率為 300Hz,占 空 比 為 5%,氧 化 時(shí) 間 為 10 min。 在 ETM104B型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫 拉伸試驗(yàn),加載方向均為沿試樣縱向,拉伸速度為 0.05mm·min -1,采用 PXDAQ24260B 型聲發(fā)射設(shè) 備實(shí)時(shí)監(jiān)測拉伸過程,頻率為2.5MHz,門檻值設(shè)置 為20dB,聲發(fā)射信號(hào)接收器放置在試樣表面,聲發(fā) 射實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置如圖2(b)所示,以相同尺寸的無涂 層試樣作為對(duì)比試樣。采用 VXH-7000 型光學(xué)顯 微鏡 (OM)和 JSM-7001F 型 掃 描 電 子 顯 微 鏡 (SEM)觀察微弧氧化涂層表面與截面的微觀形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 拉伸前的微觀形貌

由圖3可知,微弧氧化涂層試樣表面高低不平, 其粗糙度比試驗(yàn)合金明顯增大,且其表面呈不規(guī)則 的多孔結(jié)構(gòu),細(xì)小孔洞的直徑為1~3μm,且均勻分 布在涂層表面,這與文獻(xiàn)[22]中制備得到的 N36鋯 合金微弧氧化涂層的結(jié)構(gòu)類似。涂層的多孔結(jié)構(gòu)是 在涂層制備過程中由電壓超過臨界值后對(duì)微弧氧化 膜發(fā)生的介電擊穿所形成的[23]。涂層與基體結(jié)合 處的界面清晰可見,界面上無裂紋和缺陷,表明涂層 與基體結(jié)合較好。涂層的厚度大約為8.5μm,由外 層多孔結(jié)構(gòu)層和內(nèi)層致密層組成,內(nèi)層致密層的致 密度以及與基體的結(jié)合性能直接影響微弧氧化涂層 的耐磨和耐腐蝕性能[24]。研究[22]發(fā)現(xiàn),鋯合金微弧氧化涂層內(nèi)外層的成分均為氧化鋯。

2.2 拉伸性能

由圖4可以看出,拉伸斷裂后試樣沿與拉伸方 向呈45°的角度斷裂,說明試樣發(fā)生韌性斷裂,斷口屬于剪切滑移型斷口[25]。試樣在斷裂前發(fā)生了較 大的塑性變形,因此試樣斷口截面尺寸明顯變小。 拉伸斷口較平整,存在較多韌窩,這也是韌性斷裂的 明顯特征。斷口附近表面僅局部區(qū)域零星附著一些 不規(guī)則形狀的涂層,絕大部分區(qū)域表面呈層狀形貌, 推測這些層狀的形貌是涂層脫落后形成的殘余形 貌。由斷口截面形貌也可以看出涂層已從基體上剝 離脫落?？芍诶煸囼?yàn)中斷口處的微弧氧化涂層 在試樣斷裂前已基本脫落。