摘 要:通过恒压微弧氧化设备在锆合金基体表面制备了微弧氧化涂层,运用声发射技术对涂 层试样的拉伸过程进行实时监测,通过声发射特征参数的分析与拉伸断口形貌的观察,研究了涂层 试样的拉伸失效过程,并运用快速傅里叶变换识别了涂层拉伸失效的频率特征。结果表明:微弧氧 化涂层对锆合金拉伸性能的影响主要表现在拉伸过程中的塑性阶段;在拉伸过程中,涂层中的微裂 纹随机向各个方向扩展,导致涂层在塑性阶段(132~222s)发生集中性剥离脱落现象,且试样断裂 前涂层已基本从基体上脱落,仅在断口的局部区域零星分布一些不规则形状的涂层;涂层拉伸失效 的频率特征是在0.023,0.039,0.055MHz处出现了3个强烈的信号,并在大于0.8 MHz的频段中 出现微弱的稳定信号。

关键词:锆合金;微弧氧化;拉伸失效;声发射技术;涂层

中图分类号:TG410.20 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2022)06-0071-07

0 引 言

锆(Zr)合金因具有优异的物理化学性能而广泛 应用在核反应堆中[1-3]。在正常运行的核反应堆内 部,锆合金通常直接暴露在辐照和高温高压的环境中[4],极端的服役环境对锆合金具有极强的腐蚀、氢 化等作用[5-7],导致部件失效,这对锆合金结构件的 稳定性和核反应堆设备的安全性都造成了严峻挑 战,因此研究人员一直致力于提升锆合金材料的综 合性能。目前主要有2种方法来提高核反应堆锆合 金材料的综合性能,一种是研发性能更优异的新型 锆合金材 料,另 一 种 是 在 原 有 锆 合 金 表 面 制 备 涂 层[8-9],后者被认为是最简单有效的方法,可以在短 期内完成材料性能的整体快速升级[10],因而受到广 泛关注。

微弧氧化是一种常见的表面改性方法,已经成 熟地应用于一些典型的金属材料上[11-12],以增强材 料的耐腐蚀和耐磨性能[13-14]。目前,有关用微弧氧 化方法在锆合金表面制备涂层来提升性能的研究已 有一些初步的探索,例如:CHENG 等[15]在 Zr-2合 金表面制备了微弧氧化涂层,增强了合金表面的耐 磨性能;YANG 等[16]用微弧氧化方法在 Zr-1Nb合 金管表面制备了一层涂层,提升了其耐腐蚀性能; MATYKINA 等[17]用磷酸盐体系对锆合金进行微 弧氧化处理,发现表面涂层具有极优异的耐腐蚀性 能;XUE 等[18]用硅酸盐体系对锆合金进行微弧氧 化处理,发现涂层具有良好的耐腐蚀性能。虽然微 弧氧化涂层能够增强锆合金的性能,具有较好的应 用潜力,但在实际工程中,采用不同电解液体系得到 微弧氧化涂层与基体的结合性能差异较大,这限制 了其应用范围,因此评估涂层与基体的结合性能及 涂层的破坏失效过程是十分有必要的。核电包壳管 表面涂层具有复杂的工况条件,易发生破坏失效,从 而对整个核电系统的安全运行造成影响,因此需要 通过分析涂层的失效行为以掌握涂层开裂特性、优 化涂层参数,并最终提高包壳管的服役性能,而目前 关于这方面的研究报道较少。如果能对锆合金微弧 氧化涂层破坏失效过程实施全程监测,则有助于掌 握涂层/锆合金基体界面失效机理,为相关表面技术 在核电领域的应用提供前期的试验及理论依据。因 此,找到一种有效的方法对微弧氧化涂层破坏失效 全过程实行监测是问题的关键。

材料在产 生 裂 纹 或 变 形 时 会 释 放 应 变 能,从 而产生应 力 波。利 用 采 集 的 这 些 应 力 波 信 号,对 材料 进 行 动 态 无 损 检 测 的 技 术,称 为 声 发 射 技 术[19]。声发射技术通常对重组切割原始波形流信 号后读取出 的 特 征 参 数 进 行 分 析,常 用 于 数 据 分 析的特征参 数 包 括 幅 值 和 能 量,其 中 幅 值 是 指 一 段时间间隔 内 信 号 的 最 大 峰 值,能 量 是 指 信 号 在 一段持续时 间 内 振 荡 的 包 络 面 积,不 同 于 幅 值 的 点信号,能量类似于面信号,比幅值更能监测到涂 层相对于基体的信号差异[20]。作为一种实时动态 的无损检测 技 术,声 发 射 技 术 已 在 热 障 涂 层 的 失 效研究中得到广泛的应用[21],而目前未见有关将 这种技术运用在微弧氧化涂层的失效评估方面的 研究报道。因 此,作 者 运 用 声 发 射 技 术 对 锆 合 金 微弧氧化涂 层 试 样 的 拉 伸 过 程 进 行 实 时 监 测,通 过声发 射 特 征 参 数 的 分 析 与 拉 伸 断 口 形 貌 的 观 察,建立声发 射 信 号 特 征 参 数 与 涂 层 拉 伸 失 效 过 程之 间 的 关 系,并 通 过 快 速 傅 里 叶 变 化 (fast Fouriertransform,FFT)对声发射信号进行频谱分 析,识别涂层拉伸失效产生的特征频率。

1 试样制备与试验方法

试验材料为 Zr-4合金板材,其化学成分(质量 分数/%)为1.5Sn,0.2Fe,0.1Cr,余Zr。合金表面微 观形貌如图1所示,可见表面平整光滑,在合金板上 截取尺寸如图2(a)所示的拉伸试样。采用 QX-30 型微弧氧化设备在拉伸试样上制备微弧氧化涂层, 电解液为硅酸盐体系,具体组成为15g·L -1 KOH、 30g·L -1 Na2SiO3、3g·L -1 NaF,所用试剂均为化 学纯;采用恒电压模式,工作电压为380V,频率为 300Hz,占 空 比 为 5%,氧 化 时 间 为 10 min。 在 ETM104B型微机控制电子万能试验机上进行室温 拉伸试验,加载方向均为沿试样纵向,拉伸速度为 0.05mm·min -1,采用 PXDAQ24260B 型声发射设 备实时监测拉伸过程,频率为2.5MHz,门槛值设置 为20dB,声发射信号接收器放置在试样表面,声发 射实时监测装置如图2(b)所示,以相同尺寸的无涂 层试样作为对比试样。采用 VXH-7000 型光学显 微镜 (OM)和 JSM-7001F 型 扫 描 电 子 显 微 镜 (SEM)观察微弧氧化涂层表面与截面的微观形貌。

2 试验结果与讨论

2.1 拉伸前的微观形貌

由图3可知,微弧氧化涂层试样表面高低不平, 其粗糙度比试验合金明显增大,且其表面呈不规则 的多孔结构,细小孔洞的直径为1~3μm,且均匀分 布在涂层表面,这与文献[22]中制备得到的 N36锆 合金微弧氧化涂层的结构类似。涂层的多孔结构是 在涂层制备过程中由电压超过临界值后对微弧氧化 膜发生的介电击穿所形成的[23]。涂层与基体结合 处的界面清晰可见,界面上无裂纹和缺陷,表明涂层 与基体结合较好。涂层的厚度大约为8.5μm,由外 层多孔结构层和内层致密层组成,内层致密层的致 密度以及与基体的结合性能直接影响微弧氧化涂层 的耐磨和耐腐蚀性能[24]。研究[22]发现,锆合金微弧氧化涂层内外层的成分均为氧化锆。

2.2 拉伸性能

由图4可以看出,拉伸断裂后试样沿与拉伸方 向呈45°的角度断裂,说明试样发生韧性断裂,断口属于剪切滑移型断口[25]。试样在断裂前发生了较 大的塑性变形,因此试样断口截面尺寸明显变小。 拉伸断口较平整,存在较多韧窝,这也是韧性断裂的 明显特征。断口附近表面仅局部区域零星附着一些 不规则形状的涂层,绝大部分区域表面呈层状形貌, 推测这些层状的形貌是涂层脱落后形成的残余形 貌。由断口截面形貌也可以看出涂层已从基体上剥 离脱落。可知在拉伸试验中断口处的微弧氧化涂层 在试样断裂前已基本脱落。