Zr合金表面MAO/Cr双层涂层的电化学与高温蒸汽腐蚀超强防护机制研究

为解决核燃料包壳材料Zr合金在失水事故(LOCA)中易发生Zr-H2 O反应及Cr涂层存在电偶腐蚀、元素互扩散等问题，中国科学院宁波材料技术与工程研究所团队通过微弧氧化(MAO)与高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)技术制备MAO/Cr双层涂层。研究表明，该涂层在1200°C蒸汽环境中氧化增重降低34.9%，且通过细化Cr晶粒促进钝化膜生长，显著提升锂硼酸溶液中的电化学耐蚀性，为事故容错燃料(ATF)涂层设计提供新思路。

　　

在核能安全领域，锆(Zr)合金因其优异的中子经济性和机械强度，长期被视为核燃料包壳的首选材料。然而2011年福岛核事故暴露出其致命弱点：当反应堆发生失水事故(LOCA)时，高温蒸汽会引发剧烈的Zr-H₂
O反应，产生大量氢气并可能导致爆炸。更棘手的是，当前最有前景的金属铬(Cr)防护涂层虽能形成保护性Cr₂
O₃
钝化膜，却因与Zr基体间0.809V的电势差引发电偶腐蚀，且在1200°C以上高温中Cr-Zr互扩散会形成脆性相和氧快速通道。这些"阿喀琉斯之踵"严重制约着事故容错燃料(ATF)技术的发展。

为突破这一瓶颈，中国科学院宁波材料技术与工程研究所团队创新性地将微弧氧化(MAO)与高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)技术联用，在Zr合金表面构建MAO/Cr双层防护体系。研究采用ZIRLO合金作为基底，通过MAO处理形成多孔ZrO₂
中间层，再以HiPIMS技术沉积致密Cr表层。通过扫描电镜(SEM)、电化学测试和高温蒸汽氧化实验等系统评估涂层性能。

结构表征揭示关键机制
MAO中间层的表面缺陷为Cr晶粒提供额外形核位点，使顶层Cr晶粒尺寸显著细化。这种纳米晶结构在锂硼酸溶液中促进致密钝化膜快速形成，将腐蚀电流密度降低一个数量级。更令人振奋的是，在模拟LOCA条件的1200°C蒸汽测试中，MAO/Cr涂层90分钟内的氧化增重较单层Cr涂层降低34.9%。

多尺度防护协同作用
MAO层发挥三重防护效应：其一，作为绝缘屏障有效抑制Cr-Zr元素互扩散，避免脆性Cr-Zr相形成；其二，阻断Zr基体元素沿Cr晶界上涌的通道，消除ZrO₂
导致的氧快速扩散路径；其三，其多孔结构通过"钉扎效应"增强涂层结合力，经900°C热震测试后仍保持完整。

这项发表于《Journal of Materials Science》的研究，首次定量揭示了MAO/Cr涂层在极端环境下的防护机制。相比传统Cr涂层，其将临界失效温度从1100°C提升至1200°C以上，同时解决电偶腐蚀难题，为新一代ATF涂层设计提供重要理论支撑。研究团队特别指出，HiPIMS技术制备的Cr层具有独特致密柱状结构，与MAO层形成"刚柔并济"的复合体系，这种跨尺度协同设计理念可延伸至其他极端环境防护材料开发。随着中国"双碳"战略推进，该成果对保障三代核电安全运行具有重大工程价值。