ZrAl金属间化合物薄膜的制备+文献综述(2)
工业规模生产的锆基合金有两个系列：锆锡系和锆铌系。前者的代表是 Zircaloy-2 合金，后者的代表是Zr-2.5Nb合金。在锆锡系合金中，锡、铁、铬、镍的综合加入(Zircaloy-2合金)，可提高材料的强度及耐蚀性、耐蚀膜的导热性，降低表面状态对腐蚀的敏感性[3]。在锆铌系合金中，Nb的添加量达到使用温度下α-Zr的固溶极限时，合金的耐蚀性能最好。Zr-1Nb和Zr-2.5Nb合金中的铌含量高于使用温度下的固溶极限。超过的铌以过饱和状态存在于α-Zr中，对合金的抗蚀性不利，而以第二相β-Nb的形式存在却好得多[4]。
虽然，锆合金相比于钢材具有相对较好的抗腐蚀性能，但是，根据研究发现，锆合金在长期服役于高温高压的情况下，也会与石油中的微小水分子以及酸性物质发生反应，生成氢气等杂质物质，造成管道某些部分出现微小裂纹，而裂纹逐渐扩大会导致整体的变形开裂，最终石油泄漏，发生危险。因此，本文将通过在锆合金表面渗入铝原子，形成锆铝合金来提高锆合金的综合性能，尤其是其在高温高压下的耐腐蚀性能[4-6]。
渗铝已被证明是一种行之有效地提高钢材耐腐蚀性能的方法，渗铝材料也已广泛应用于石油、化工、交通、海洋等工业设备上。我们知道，钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金具有强度高，耐热性能好的特点，是航空领域的潜在材料，但是，若想作为航空结构材料使用，必须要具有强抗氧化的能力，在20世纪70年代，学者开发出钛铝合金，在钛合金表面渗铝，得到渗层相为钛铝相的合金材料，其密度远小于高温合金，耐热耐高压性能好，广泛应用于制造航空航天用机体的结构材料，发动机部件或汽车用发动机部件等，而且目前通过不同的条件渗铝，改变渗层中的铝含量，增加其抗高温高压下的氧化性能[7-10]。
本次试验目的在于，在锆合金表面有效渗铝，形成锆铝合金，提高输油管道在高温高压下的抗氧化性能。在锆合金中，Zircaloy-2合金以及锆铌合金都是潜在的管道材料[12]。目前, 常见的渗铝工艺方法有固体粉末包埋渗铝法、热浸渗铝法、料浆渗铝法、喷涂渗铝法，这几种方法各有优势，选择不同被渗材料，要对应不同的渗铝方式[7]。
1.2锆合金和锆铌合金的腐蚀行为
1.2.1锆合金的腐蚀
曾经有学者已经充分研究Zr合金的氧化行为。随温度的变化纯氧化锆会经历三个晶系可逆相转变过程，分别是单斜、四方和立方锆合金。在常温情况下，二氧化锆一般只能是单斜相，在1100-1200℃的温度范围情况下，单斜会向四方转变，氧化膜核心成分为四方相氧化锆(tZrO2)和单斜相氧化(mZrO2)2 ，tZrO2于高温时稳定，低温情况下不稳定，mZrO2能稳定存在于常温下[7]。
有学者指出，氧化膜生长的速度与时间存在某种关系，当达到某一个临界值时，氧化的速度会逐步加快，而且对应不同温度下的转变临界值也是不相同的。通常来讲，氧化膜的内层是致密的，一般称为致密层，而且其中含有比较多的 tZrO2，而在外层，是相对于内层来讲，相对稀松的 mZrO2，随着氧化反应的持续，会出现tZrO2会随着反应的继续逐步向 mZrO2 发生相转变，氧化层在这种情况下会发生恶化，逐步加剧氧化的进行；此外，经过研究发现，tZrO2相在氧化膜中所占的体积分数比例越大，Zr合金的抗氧化耐腐蚀性就越好，说明抗氧化性与相转变存在关系[8-12]。
1.2.2 Zr-2.5Nb的腐蚀行为
俄罗斯人将不同比例的元素加入锆合金中，使其反应生成混合合金材料，最终发现，锆铌合金具有非常好的抗氧化性能，尤其在完全退火的情况下，抗氧化性能更加明显，且当铌的含量为2.5%时，锆铌合金的抗氧化性能更稳定的提升，因此 Zr-2.5%Nb被大范围的应用于需要充分抗氧化，耐腐蚀的服役材料中,其设计寿命一般为30-40年[9][12-13]。