Nb和Sn含量对锆合金氧化Pilling-Bedworth比影响的第一性原理研究.pdf
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1、第卷第期上海金属,年月,作 者 简 介:吴 江 桅,男,硕 士,主 要 从 事 材 料 微 观 结 构 计 算 模 拟,:通 信 作 者:谢 耀 平,男,副 研 究 员,主 要 从 事 材 料 微 观 结 构 计 算 模 拟,:和含 量 对 锆 合 金 氧 化比 影 响 的第 一 性 原 理 研 究吴 江 桅谢 耀 平王洋胡 丽 娟姚 美 意(上 海 大 学 材 料 科 学 与 工 程 学 院,上 海;上 海 大 学 计 算 机 工 程 与 科 学 学 院,上 海)【摘 要】锆 合 金 的 耐 蚀 性 能 是 影 响 其 作 为 反 应 堆 燃 料 包 壳 材 料 服 役 寿 命 的 关 键,
2、()比 是 反 映 锆 合 金 腐 蚀 氧 化 过 程 的 重 要 参 数。采 用 第 一 性 原 理 计 算 研 究 了和含 量 对 锆 合 金 氧 化比 的 影 响。首 先 分 别 计 算 了 纯、含和锆 合 金 氧 化 成与的比;接 着,研 究 了 含和锆 合 金 不 同 相 结 构 含 量 对比 的 影 响。结 果 表 明:的 添 加 使 锆 合 金 的比 减 小,而的 添 加 使 锆 合 金 的比 增 大。最 后,计 算 了 商 用系、系、系锆 合 金 的比,发 现合 金 的比 低 于和合 金。【关 键 词】锆 合 金,比,耐 蚀 性 能,第 一 性 原 理 计 算中 图 分 类 号
3、:文 章 编 号:()(,;,)【】(),;,【】,上海金属第卷 锆 合 金 在 核 反 应 堆 中 主 要 用 作 压 水 堆 核 燃 料的 包 壳 材 料,需 要 在 高 温 高 压 环 境 中 长 期 服 役。锆 合 金 的 耐 蚀 性 能 是 影 响 其 服 役 寿 命 的 关 键 因 素,通 常 用 合 金 氧 化 后 的 腐 蚀 增 重 来 表 征,氧 化 膜 生 长越 快,增 重 越 大,耐 蚀 性 能 越 差,反 之 亦 然。另 一 方面,氧 化 膜 将 锆 基 体 与 高 温 高 压 水 隔 开,防 止 锆 合金 进 一 步 氧 化,也 起 到 重 要 的 保 护 作 用。因
4、 此,研究 锆 合 金 氧 化 行 为 是 提 高 其 耐 蚀 性 能 的 关 键。锆 合 金 氧 化 时,由 于 体 积 发 生 膨 胀 而 在 氧 化膜 内 产 生 压 应 力,从 而 形 成 致 密 的 氧 化 膜,氧 化 膜的 体 积 与 生 成 该 氧 化 膜 所 消 耗 的 金 属 的 体 积 比(,简 称比)是 氧 化 膜 完 整性 的 重 要 判 据。实 际 使 用 的 锆 合 金 含 有 多 种 合 金 元 素,其 中和是 三 代 锆 合 金 的 主 要 合 金 元 素。例 如,第 一、二 代 锆 合 金和 优 化主 要 含元素,第 三 代 锆 合 金主 要 含元 素,合金
5、主 要 含和元 素。和含 量 的 变 化 会引 起 锆 合 金 耐 蚀 性 能 的 显 著 变 化。研 究 表明,锆 合 金 氧 化 膜 中 主 要 相 结 构 是 单 斜 二 氧 化 锆(),以 及 一 定 量 的 四 方 二 氧 化 锆()。和含 量 的 变 化 会 引 起 氧 化 膜 中 两 相 含量 的 变 化。表列 出 了 部 分 锆 合 金 在 不 同 环 境 中腐 蚀 后 氧 化 膜 的含 量。由 表可 知,随 着和含 量 的 增 加,氧 化 膜 中含 量 也 随之 增 加;另 外,含锆 合 金 氧 化 膜 中含 量比 含锆 合 金 氧 化 膜 中含 量 更 高。例 如等的 研
6、究 显 示,合 金 中的 质量 分 数 可 达;等的 研 究 显 示,合 金 中的 质 量 分 数 为左 右。另 外,不 同条 件 下(合 金 成 分、加 工 工 艺、腐 蚀 介 质 等)锆 合金 氧 化 膜 的 相 成 分 也 不 同,随 着和含 量 的变 化,氧 化 膜 内 应 力 也 不 同。和含 量 的变 化 对 锆 合 金比 也 会 产 生 一 定 的 影 响。因 此,研 究 合 金 元 素 含 量 对 锆 合 金比 的影 响 有 助 于 揭 示 锆 合 金 的 氧 化 腐 蚀 机 制。本 文 采用 第 一 性 原 理 计 算 了 不 同、含 量 锆 合 金 的比,分 析 了、元 素
7、 对 锆 合 金 氧 化 膨 胀 的 影响,最 后 对种 典 型 锆 合 金、的比 进 行 了 计 算。表部 分 锆 合 金 在 不 同 环 境 中 腐 蚀 后 氧 化 膜 的含 量 文 献合 金腐 蚀 环 境质 量 分 数 等(,质 量 分 数,下 同)水 环 境()、()等(,)蒸 汽(水 淬)、(空 冷)等()水 环 境()、()等、等()()()()()()蒸 汽等 计 算 方 法 及 模 型 构 建 模 型 构 建为 了 计 算 纯以 及 含、锆 合 金 的 氧 化比,构 建 了 纯模 型,含(、)锆 合金 模 型(表 示 模 型 中的 原 子 数),纯氧 化 后 的、模 型,以 及
8、 含锆 合 金氧 化 后 的 模 型 和。其中 纯为结 构,及分 别 为 四 方和 单 斜 结 构,如 图所 示。模 型 以 纯模型 为 基 础,用(、)替 换 其 中 一 个原 子。研 究 证 明和氧 化 后 最 稳 定 的 化 合 价 分 别是和,因 此 以 及 是 以及超 胞 模 型 为 基 础,将其 中 一 个替 换 为(或)得 到 的。由 于 超 胞 模 型 中 所 有 的都 是 等 价 的,因 此 替 换其 中 的 任 一 个即 可。第期吴 江 桅 等:和含 量 对 锆 合 金 氧 化比 影 响 的 第 一 性 原 理 研 究 图()、()的 晶 胞 结 构示 意 图 ()()比
9、计 算 方 法比 是 氧 化 物 与 氧 化 前 金 属 的 体 积 比,纯的比 是 通 过 金 属及 其 氧 化 物 的 体 积 来 计 算的,计 算 公 式 为:()()式 中:和表 示 氧 化 膜 中、含 量;和分 别 表 示以 及的 体 积;表 示 单 个原 子 的 体 积。不 同含 量 锆 合 金 的比 计 算 公 式 为:()()()式 中:表 示 含锆 合 金 化 合 物 模 型 的 体 积;和 表 示 含锆 合 金的 氧 化 物 超 胞 和 模 型的 体 积。商 用 锆 合 金 中 合 金 元 素 含 量 较 低,因 此 建 立了 低 合 金 元 素 含 量 锆 合 金 的比
10、计 算 公 式:()()式 中:、分 别 表 示 合 金 元 素、的 含 量。第 一 性 原 理 计 算 方 法本 文 通 过 基 于 密 度 泛 函 理 论(,)的 第 一 性 原 理 计 算 方 法()进 行 晶 体 结 构 的 晶 胞 体 积 优化 计 算,所 有 计 算 均 通 过 (软 件 包)实 现。在计 算 中,离 子电 子 相 互 作 用 采 用 投 影 缀 加 波(,)方 法来 描 述。选 择 广 义 梯 度 近 似(,)的()形 式 作 为 交 换 相 关 函 数。平 面 波 截 断 能 均 设 置 为,方 法 用 于 布 里 渊 区 的点 采 样。纯模型 的点 设 置 为
11、 ,和原 子 超 胞 模型点 均 设 置 为 ,其 他 原 子 超 胞点 均 设置 为 ,计 算 过 程 中 超 胞 的 矢 量 与 所 有 原子 都 进 行 弛 豫,能 量 收 敛 标 准 为 。计 算 结 果 与 讨 论 锆 合 金 氧 化 成 单 相 的比采 用 第 一 性 原 理 计 算 得 到 了、的 最 稳 定 晶 胞 结 构,获 得 最 稳 定 晶 胞 结 构 体积,利 用 式()计 算和的比,发现 氧 化 膜 中的比 小 于,分 别 为 和,与数 据 库中 计 算 结 果(和)较 一 致。为 了 研 究和元 素 对 锆 合 金 氧 化比的 影 响,构 建 了 含和的 锆 合 金
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- Nb Sn 含量 合金 氧化 Pilling Bedworth 影响 第一性 原理 研究
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