https://doi.org/10.1016/j.triboint.2025.111572

一、研究背景

Zr-4 合金因热中子吸收截面低、辐照稳定性良好，广泛应用于压水堆燃料棒包壳、排管等关键部件。但该合金表面硬度较低，在反应堆高温高压、辐射、腐蚀 coolant 等极端环境中，易发生磨损、腐蚀及摩擦腐蚀耦合损伤，影响组件寿命与反应堆安全。现有表面改性技术存在改性层浅、工艺复杂或环境适应性差等局限，因此本研究采用激光氮化技术，旨在系统提升 Zr-4 合金在多典型服役环境下的耐磨与耐蚀性能，明确其作用机制。

二、实验方案

材料制备与激光氮化工艺：以直径 10mm 的 Zr-4 合金棒为原料，线切割制成 2mm 厚薄片，经研磨、抛光、超声清洗后备用。采用波长 1064nm 的纳秒脉冲激光，在氮气氛围（纯度 99.999%，压力 0.15MPa）中进行氮化处理，激光功率设为 11W、15W、19W、23W，对应试样标记为 P11、P15、P19、P23，其他参数包括光斑尺寸～43μm、重复频率 600kHz、扫描速度 150mm/s 等。

摩擦学测试：采用球 - 盘摩擦磨损试验机，在室温空气、室温超纯水、300℃空气三种环境下测试，以 Si₃N₄球为对磨副，载荷 2N，磨损半径 3mm，时长 30min，同时记录摩擦系数（COF）。

电化学测试：在模拟反应堆冷却剂（1200mg/L H₃BO₃+2.2mg/L LiOH）中，通过动电位极化（PDP）和电化学阻抗谱（EIS）评估耐蚀性。

微观表征：利用扫描电子显微镜（SEM）、X 射线衍射仪（XRD）、电子背散射衍射（EBSD）、激光共聚焦显微镜（LSCM）、纳米压痕仪等，分析表面形貌、物相组成、晶粒尺寸、残余应力及硬度。

三、核心研究结果

（一）微观结构演变

物相与硬度：激光氮化成功生成立方 ZrN 相，且 ZrN 含量随激光功率增加而富集；表面硬度显著提升，P23 试样达 8.75GPa，较原始试样（1.47GPa）提高 495%，硬度提升源于 ZrN 硬质相强化与晶粒细化（原始晶粒 6.44μm，氮化后 0.3-0.5μm）的协同作用。

表面形貌与残余应力：随激光功率升高，表面粗糙度从 1.29μm 增至 3.63μm，P23 出现微裂纹与微孔；原始试样呈 - 280MPa 压应力，P11-P19 为拉应力（104-162MPa），P23 因微孔应力松弛呈 - 88MPa 压应力。

（二）耐磨性能提升

多环境耐磨效果：P19 试样表现最优，室温空气下磨损面积减少 90.8%，室温超纯水中减少 98.6%，300℃空气中减少 52.1%；P23 因微孔、裂纹及 ZrN 晶粒粗化，耐磨性能反而下降。

磨损机制转变：原始试样以严重粘着磨损和磨粒磨损为主，氮化后转为温和氧化磨损与粘着磨损；超纯水环境中，流体润滑与碎屑冲刷进一步抑制磨粒磨损，300℃下因热软化出现磨粒 - 粘着 - 氧化复合磨损，但氮化试样仍保持更高耐磨性。

（三）耐蚀性能强化

电化学测试结果：P19 试样腐蚀电流密度（Icorr）降至2.07×10⁻⁴A/cm²，较原始试样（9.77×10⁻⁴A/cm²）降低 78.8%；极化电阻（Rp）达原始试样的 34 倍，腐蚀电位（Ecorr）更正向。

耐蚀机制：形成 “内层 ZrN 致密层 + 外层原位氧化钝化膜” 的双重屏障，ZrN 阻碍离子传输，钝化膜提供化学稳定性，同时细化晶粒促进钝化膜均匀形核。

（四）长期稳定性验证

室温空气下 120min 延长磨损测试表明，P19 试样仍保持 40.68% 的磨损率降低，摩擦系数稳定在 0.6 左右，证实激光氮化层具有良好的长期服役稳定性。

四、结论

激光氮化可显著提升 Zr-4 合金在多环境下的耐磨耐蚀性能，其中 19W 功率为最优工艺参数，耐磨与耐蚀协同效果最佳。

性能提升的核心机制为：ZrN 硬质相形成与晶粒细化强化耐磨性，双重屏障结构改善耐蚀性，且磨损机制随环境呈现适应性转变。

该技术为压水堆 Zr-4 合金部件的表面改性提供了高效解决方案，有助于提升核反应堆的运行可靠性与安全性，为高性能核材料研发提供理论支撑与技术参考。