机械工程材料杂志

机械工程材料杂志2026年第3期

• 电沉积液中CoSO4质量浓度对Ni-Co-CeO2复合涂层微观结构与性能的影响

  张嘉宁, 赵远涛, 刘沈强, 李禹, 李浩翔, 钟宁, 李文戈, 李柯

  以NiSO4、NiCl2、H3BO3、十二烷基硫酸钠SDS、CoSO4、CeO2组成的溶液为电沉积液，采用复合电沉积技术在DH36钢基板上制备Ni-Co-CeO2复合涂层，研究了CoSO4质量浓度（2，4，10，16，32 g·L?1）对复合涂层微观结构、耐磨性能和耐腐蚀性能的影响。结果表明：不同CoSO4质量浓度下制备的复合涂层均结构致密，由Ni-Co合金相和均匀分布的CeO2颗粒组成。随CoSO4质量浓度升高，Ni-Co合金相由不规则结构向规则结构转变，最终形成细小的近球状结构，晶粒尺寸显著减小，涂层中钴含量迅速升高，并逐渐接近于镍含量。随CoSO4质量浓度增加，复合涂层的摩擦因数和磨损质量损失均降低，自腐蚀电位正移，自腐蚀电流密度降低，耐腐蚀性能提高。当CoSO4质量浓度为32 g·L?1时，复合涂层的自腐蚀电流密度仅为4.64 μA·cm?2，接近DH36钢基板的1/3。

• 热处理工艺对ZnO压敏陶瓷本征点缺陷及电气性能的影响

  岳英虎, 赵洪峰, 刘威

  基于正交试验方法研究了热处理的升温速率（1，3，6 ℃·min?1）、保温温度（600，700，800 ℃）、保温时间（2，4，8 h）和降温速率（1，5，10 ℃·min?1）4个参数对ZnO压敏陶瓷物相组成、微观结构、本征点缺陷和势垒结构的影响，综合分析陶瓷的电气性能以获得最佳热处理工艺。结果表明：不同工艺热处理前后，ZnO压敏陶瓷均由主晶相ZnO、尖晶石相和Bi2O3组成。较低的保温温度和较慢的降温速率可促使γ-Bi2O3向α-Bi2O3转变，抑制晶粒过度生长，使元素分布更均匀，显著提高陶瓷的致密性，同时可有效降低Zni??和VO?等本征点缺陷浓度并提高势垒高度。热处理工艺参数按照对陶瓷电气性能影响程度由大到小顺序依次为保温温度、降温速率、保温时间、升温速率。最优热处理工艺为升温速率6 ℃·min?1、保温温度600 ℃、保温时间2 h、降温速率1 ℃·min?1。在该条件下热处理后，势垒高度由热处理前的0.58 eV提高为0.70 eV，电压梯度由355.0 V·mm?1提高为370.1 V·mm?1，泄漏电流密度从1.38 ?A·cm?2减小为0.41 ?A·cm?2，非线性系数保持在72。

• 选区激光熔化成形梯度多孔结构的力学性能仿真

  董大庆, 傅高升, 陈鸿玲, 张晨

  采用Rhino软件构建孔隙率沿轴向与径向梯度变化的片状（Sheet型）三周期极小曲面（TPMS）-螺旋二十四面体（Gyroid）多孔结构（简称为轴向梯度多孔结构和径向梯度多孔结构），平均孔隙率在45%～85%，采用Ansys Workbench与Fluent软件对不同结构的压缩性能和渗透性能进行仿真，并与孔隙率均匀分布的均匀多孔结构（TG结构）进行对比；以TC4钛合金粉末为原料，采用选区激光熔化（SLM）技术打印出上述3种结构件，研究不同孔隙率结构件的压缩性能和渗透性能，并将试验结果与仿真结果进行对比。结果表明：仿真得到在相同平均孔隙率下轴向梯度和径向梯度多孔结构的等效弹性模量与平均应力均小于均匀多孔结构；径向梯度多孔结构的平均应力和等效弹性模量更接近于均匀多孔结构，且平均孔隙率越小，二者越接近于均匀多孔结构。2种梯度多孔结构的流体压力与速度分布与均匀多孔结构类似，但梯度多孔结构的流体速度更高；在平均孔隙率为85%时，径向梯度多孔结构的渗透率大于轴向梯度多孔结构和均匀多孔结构。试验得到3种SLM成形TC4钛合金结构件的弹性模量和抗压强度均在天然人体骨植入物的要求范围内，其中均匀多孔结构的压缩性能最好，径向梯度多孔结构的抗压强度和弹性模量更接近于均匀多孔结构；弹性模量和抗压强度随孔隙率的变化趋势与仿真等效弹性模量和平均应力的变化趋势相同，压缩初始断裂处与仿真的应力集中位置基本一致，验证了仿真结果的可靠性；在压缩过程中梯度多孔结构的应力波动较为剧烈，吸能特性较优异。径向梯度多孔结构更适合作为人体骨植入物。

• 压水堆燃料包壳腐蚀产物沉积行为的研究进展

  陈凯, 周付杰, 夏天行, 黄涛, 张乐福

  在压水堆核电厂运行时，一回路组件中的结构材料在高温高压水环境下发生腐蚀，所产生的腐蚀产物随冷却剂迁移至燃料包壳表面并沉积，形成污垢（CRUD）。腐蚀产物沉积行为会恶化传热，导致沸腾危机提前发生，并引起包壳外表面局部温度升高，引发包壳的局部腐蚀失效。从来源和迁移以及沉积过程等方面综述了压水堆燃料包壳CRUD的形成机理，阐述了冷却剂pH、杂质离子浓度、注锌、溶解氢含量等水化学参数，冷却剂流速、热通量、冷却剂温度、定位格架结构等热工水力参数以及包壳材料对腐蚀产物沉积行为的影响，简述了预测腐蚀产物沉积行为的相关模型，包括Short模型、Uchida模型、多物理场耦合模型等。最后提出了压水堆燃料包壳腐蚀产物沉积行为今后的研究方向。

• 增材制造316L不锈钢在核电站环境中环境损伤行为的研究进展

  陈俊劼, 刘浩, 邹文杰, 赵宙, 吕战鹏, 阙再青

  随着增材制造技术的快速发展，增材制造316L不锈钢部件，如燃料碎片过滤器和燃料组件支架已在商业反应堆中得到实际应用。然而，增材制造固有的快速非平衡凝固过程致使316L不锈钢形成特征性微观结构，使其在核电站极端环境中的服役行为与锻造材料存在差异。介绍了激光粉末床熔融和激光定向能量沉积等2种增材制造工艺制备的316L不锈钢的显微组织，探讨了其在轻水堆高温水环境中的腐蚀、应力腐蚀开裂、辐照促进应力腐蚀开裂、腐蚀疲劳等损伤行为以及在先进堆换热介质环境的超临界CO2、铅铋共晶体、熔盐等中的高温氧化、溶解腐蚀、晶间腐蚀等损伤行为，以及与传统锻造材料的对比结果。最后，基于工艺-微观结构-服役性能的关联机制，对增材制造316L不锈钢在核能领域的未来研究方向进行了展望。

• 热管反应堆无机耐高温导热涂层的应用与研究现状

  曲比次洛, 李荣博, 夏栓, 巴发海, 姜佳璇, 乔佳玺, 龚嶷

  热管反应堆因具有结构紧凑、传热效率高和固有安全等特点而在深海、深地等极端环境核能应用中展现出重要潜力。为实现堆芯燃料与热管间的高效传热以及系统的长期稳定运行，需在热管与结构基体间引入无机耐高温导热涂层。围绕热管反应堆工程需求，综述了无机耐高温导热涂层的应用设计原则，系统概述了涂层的导热性能、高温稳定性、界面结合性能、热物性匹配性、辐照稳定性及化学相容性等关键性能要求；总结了典型材料体系，并重点介绍了硅基无机耐高温导热涂层材料的制备方法；概括了无机耐高温导热涂层的性能评价方法以及基于退化规律的寿命预测模型；最后，给出了未来无机耐高温导热涂层的发展方向。

• 核电厂二回路碳钢管道流动加速腐蚀的研究现状

  陈凯, 游煜铃, 周起印, 鲍一晨, 李玲, 王弘昶, 刘晓强, 孟凡江, 王煦嘉, 张乐福

  流动加速腐蚀（FAC）是导致核电厂二回路碳钢管道管壁减薄乃至失效的主要机理之一，严重威胁机组的安全和正常运行。系统梳理了FAC的机理与特征，综述了流速、蒸汽湿度、液滴尺寸、液膜厚度、管壁表面粗糙度、管道几何形状等流体动力学参数，温度、pH、溶解氧浓度、联氨浓度等环境参数，材料成分、表面加工处理等材料因素对FAC的影响，论述了FAC的试验研究以及计算流体动力学数值模拟的应用现状，并介绍了几种典型的FAC速率预测模型；最后，探讨了目前二回路管道FAC研究存在的问题，并对未来的研究方向进行展望。

• 不锈钢钠热管在高温服役环境中氧化腐蚀的研究进展

  陈浩瀚, 蒋文天, 黄清扬, 刘自豪, 付超, 盖欣, 丁涛

  高温碱金属热管具有传热效率高、热稳定性好、等温性优良等特点，在热管反应堆、余热回收、航天器散热等领域得到广泛应用。高温碱金属热管在服役过程中，其内壁受到高温液钠的氧化腐蚀作用而形成过高热阻，导致局部出现径向温差过大的现象。氧化腐蚀形成的高热阻层会造成热管径向传热性能显著下降，使传热极限提前到达，严重时甚至会危及热管的工作安全。简述了热管的工作原理和分类，从氧化物种类、氧化腐蚀行为和机理、氧化腐蚀对性能影响等方面对不锈钢钠热管在高温服役环境中的氧化腐蚀研究进展进行了综述，并提出了未来热管氧化腐蚀方面的研究方向。

• 在高温高压水环境中长期腐蚀后TA17钛合金的阻氢渗透行为

  赵宇翔, 秦金光, 王龙, 徐祺, 孟凡韬, 吴军

  在350 ℃，15.5 MPa高温高压一回路（腐蚀介质含有1 200 mg·kg?1 硼+2.6 mg·kg?1 锂+250 mL·kg?1 H2）和二回路（腐蚀介质含有3.4 mg·kg?1 NH3）水环境模拟工况下，对TA17钛合金进行4000~8000 h长周期腐蚀试验，研究了其长周期腐蚀行为，并通过500 ℃氢同位素（氘）渗透试验分析腐蚀过程对合金阻氢渗透性能的影响。结果表明：在一回路水环境中长期腐蚀时钛合金的单位面积腐蚀质量增量呈波动变化，表面主要形成稳定的FeTiO3腐蚀层，该腐蚀层呈动态生长-溶出特征；4 000～7 000 h腐蚀形成的腐蚀层能有效阻碍氢渗透，8000 h腐蚀时该阻碍作用几乎消失，含金的氢同位素平衡渗透通量与未腐蚀合金相近。一回路水环境中的阻氢渗透行为与腐蚀层的生长-溶出过程密切相关。在二回路水环境中钛合金的单位面积腐蚀质量增量整体呈持续下降趋势，表面未形成连续致密的腐蚀层，呈现TiO与TiO2交替生成-转变特征；长周期腐蚀后合金的氢同位素平衡渗透通量与未腐蚀合金接近，二回路水环境腐蚀过程对合金的阻氢渗透行为影响很小。

• Incoloy-800H合金在超临界水冷堆不同水化学控制策略下的腐蚀行为

  杨鸿, 龚宾, 赵永福, 邓平

  在550 ℃和25 MPa的富氧水化学环境（溶解氧质量分数300 μg·kg?1）及加氢水化学环境（溶解氢质量分数1.5 mg·kg?1）中对超临界水冷堆候选包壳材料Incoloy-800H合金开展均匀腐蚀试验，研究了富氧和加氢2种水化学控制策略下合金表面氧化膜的微观形貌和物相组成。结果表明：在富氧水中腐蚀后Incoloy-800H合金表面存在厚度250～420 nm的双层结构氧化膜和厚度45～63 nm的单层结构氧化膜，其中双层氧化膜外层为大尺寸铁的氧化物颗粒，内层以及单层氧化膜主要由FeCr2O4尖晶石组成，同时氧化膜下方存在明显的不连续内氧化区。在加氢水中腐蚀后合金表面形成双层氧化膜，外层为尺寸较小、分布较疏松的Fe3O4颗粒，内层以FeCr2O4尖晶石为主，厚度较大，为82～100 nm，在外层氧化膜与内层氧化膜界面以及内层氧化膜与基体界面处形成极薄的富铝氧化膜。从候选包壳材料Incoloy-800H合金的腐蚀角度看，加氢更适宜作为超临界水冷堆的水化学控制策略。

• 压水堆一回路某阀门用690镍基合金的应力腐蚀裂纹扩展行为

  丁凯, 彭骋, 张旭, 袁新宇, 汪家梅, 陈凯, 张乐福

  在模拟压水堆一回路水化学环境(325 ℃、15.5 MPa、1.2 mg·L?1硼、2.2 μg·L?1锂、2 mg·L?1溶解氧或1.6 mg·L?1溶解氢)中，采用应力腐蚀裂纹扩展速率在线测量技术，通过裂纹扩展试验对比研究了压水堆某阀门用国产和进口690镍基合金的应力腐蚀裂纹扩展行为。结果表明：国产690合金和进口690合金内部残余应变均低于10%，在模拟压水堆一回路工况下的裂纹扩展速率均处于10?9 mm·s?1数量级，2种合金均具有较低的应力腐蚀开裂敏感性，这与合金中较高的铬含量有关。与进口合金相比，国产690合金的晶粒尺寸较大，Σ3孪晶界占比较高，晶界的位错密度和残余应变水平较低，裂纹扩展速率略低，抗应力腐蚀开裂性能较好；国产690合金的裂纹扩展以穿晶模式为主，而进口合金则呈现明显的沿晶-穿晶混合特征。国产和进口690合金的裂纹扩展速率与应力强度因子呈幂指数关系，国产690合金在不同溶解氧浓度环境中的裂纹扩展速率均较低，溶解氧对其应力腐蚀开裂行为的影响不显著。

• 新型锆合金包壳管的内压爆破断裂机制

  何勇, 廖京京, 许江涛, 洪晓峰, 杨忠波

  利用恒温升压爆破装置系统，对某新型锆合金包壳管开展室温以及300～450 ℃高温内压爆破试验，研究了包壳管的内压爆破性能及其断裂机制。结果表明：随温度升高，锆合金包壳管的内压爆破强度和屈服强度降低，环向延伸率升高；在350～380 ℃范围内，强度和环向延伸率的变化趋势变缓，这与包壳管发生动态应变时效有关，此时组织中出现位错胞结构。包壳管的内压爆破断裂形式为轴向拉伸断裂（I型断裂）和径向剪切撕裂（III型断裂）的混合断裂。随着温度升高，轴向裂纹断口中的韧窝由抛物线型转变为粗大等轴型，最终又转变为抛物线型，而径向裂纹断口中的剪切撕裂型拉长韧窝由撕裂棱突出的粗大韧窝转变为分布密集的细小韧窝。

• 冷变形对316LN不锈钢在模拟压水堆一回路水中应力腐蚀开裂行为的影响

  张利涛, 王俭秋

  在316LN不锈钢弯管不同位置处取样（冷变形量，即工程应变分别为33%和12%），并将经过固溶处理的试样作为对比试样（冷变形量为0），通过慢应变速率拉伸试验和微观结构分析研究了冷变形对316LN不锈钢在模拟压水堆一回路高温高压水中应力腐蚀开裂行为的影响。结果表明：在模拟压水堆一回路水环境中，随着冷变形量增加，316LN不锈钢的断裂时间明显缩短，断后伸长率下降，应力腐蚀开裂敏感性增强。316LN不锈钢的应力腐蚀开裂过程为先发生穿晶解理断裂，随后逐渐过渡为穿晶解理与韧窝聚集的混合模式断裂，最后为韧窝聚集模式断裂，断口中不存在沿晶开裂形貌。随着冷变形量的增加，二次裂纹长度增加，且分叉变得严重，变形滑移带数量增多，小角度晶界和随机大角度晶界占比升高，重合位置点阵晶界以及其中的Σ3型晶界占比降低，晶核平均取向差增大。这些微观结构的变化协同促进了局部应力/应变集中，并为腐蚀介质扩散与阳极溶解过程提供了快速通道，从而加速了裂纹萌生与扩展。

• 成品退火温度对Zr-Sn-Nb合金包壳管显微组织与耐腐蚀性能的影响

  吴宗佩, 邱军, 杨忠波, 徐建军, 赵永福

  采用真空自耗电弧熔炼、锻造、β相均匀化处理及水淬、α相热挤压、三道次冷轧、中间退火、冷轧、成品退火等流程制备壁厚为0.57 mm、外径为9.5 mm的Zr-Sn-Nb合金包壳管，研究了成品退火温度（450，490，550 ℃）对包壳管微观结构和耐腐蚀性能的影响。结果表明：随着成品退火温度升高，Zr-Sn-Nb合金包壳管的晶粒尺寸增大，晶粒由纤维形貌变为再结晶等轴形貌，再结晶等轴晶粒占比由16.4%增大至92.5%，织构由\langle 01\bar 10 \rangle 平行于轴向转变为\langle 12\bar 10 \rangle 平行于轴向。提高成品退火温度未改变析出相的类型，但促进析出相均匀分布和颗粒粗化，其平均尺寸由117.91 nm增大至155.29 nm。随着成品退火温度升高，包壳管的单位面积腐蚀质量增量降低，耐腐蚀性能提高，这主要与再结晶组织导致的氧化膜晶粒粗化，使得腐蚀过程中的O2?、H+、OH?及电子扩散通道减少有关。

• MoCu合金表面磁控溅射纯镍涂层与NiW合金涂层的抗高温真空挥发性能

  李晓泉, 杨万欢, 张锦柏, 李伸, 陈帅, 彭德全, 钟巍华

  采用磁控溅射技术在MoCu合金表面沉积纯镍涂层和NiW合金涂层，先进行1 020 ℃保温5 min的真空热处理，再在真空度高于1×10?4 Pa、770 ℃下进行1 000 h的长时挥发试验，研究了这2种涂层在高温真空环境下的挥发行为。结果表明：热处理后纯镍涂层的镍相与基体中的铜相在界面处形成稳定的固溶体互扩散区，而NiW合金涂层由沉积态的非晶结构变为晶体结构。长时挥发试验后，2种涂层的物相组成和厚度均未发生明显变化，但涂层/基体界面处均出现孔洞，且随着挥发时间延长，孔洞扩展。NiW合金涂层在挥发1 000 h后形成以钨为主的纳米网状骨架结构。在0～500 h挥发过程中，纯镍涂层和NiW合金涂层的抗挥发性能接近，与基体的理论挥发速率相比，分别降低了63.3%和65.5%；在500～1 000 h挥发过程中，纯镍涂层的抗挥发性能下降，其挥发速率较基体的理论挥发速率降低54.8%，而NiW合金涂层的抗挥发性能提升。相较于纯镍涂层，NiW合金涂层的抗高温真空挥发性能更好。

• Inconel 690合金在不同磁-热能场时序匹配下的组织演化及性能

  李俊辉, 黄亮, 冒文杰, 王圣泽, 王睿, 何诗语, 梅金娜, 蔡振

  以固溶态Inconel 690合金为研究对象，在单级脱敏处理的基础上设计了先脱敏后磁场、先磁场后脱敏、脱敏耦合磁场等3种磁-热能场时序匹配试验方案，研究了不同磁-热能场时序匹配下Inconel 690合金的微观结构、物相组成、拉伸性能和导热性能。结果表明：相比于单级脱敏处理，磁-热能场复合处理后Inconel 690合金的平均晶粒尺寸以及退火孪晶的密度和长度均增加；先脱敏后磁场处理合金的平均晶粒尺寸最大。先脱敏后磁场处理合金晶界处的M23C6碳化物与单级脱敏处理合金相似，呈不连续分布；先磁场后脱敏处理合金中的碳化物呈半连续分布；脱敏耦合磁场处理合金的碳化物呈连续链状分布，碳化物析出程度最高，位错密度最高，为1.08×1015 m?2。先磁场后脱敏处理合金的抗拉强度与屈服强度最高，分别为657.39，320.47 MPa，断后伸长率为45.78%。磁-热能场复合处理可提升Inconel 690合金的热导率；先磁场后脱敏处理合金的热导率最大，为18.09 W·m?1·K?1，较单级脱敏处理提高了15.36%，导热性能最好。

• 2.25Cr1Mo钢在蒸汽发生器服役环境中的腐蚀疲劳裂纹扩展行为

  刘超, 刘文治, 付晓刚, 张宝亮

  在压力均为17.5 MPa的350 ℃水和500 ℃蒸汽2种蒸汽发生器服役环境中，对2.25Cr1Mo钢紧凑拉伸试样依次进行载荷比为0.5、加载频率为1 Hz和载荷比为0.5、加载频率为0.1 Hz的腐蚀疲劳裂纹扩展试验，利用直流电压降法获得2.25Cr1Mo钢的腐蚀疲劳裂纹扩展速率，并分析了裂纹扩展特征。结果表明：在500 ℃蒸汽环境中2.25Cr1Mo钢的腐蚀疲劳裂纹扩展速率大于350 ℃水环境中；在相同环境中，较高加载频率的裂纹扩展第一阶段的腐蚀疲劳裂纹扩展速率更大。2.25Cr1Mo钢在350 ℃水环境和500 ℃蒸汽环境中的腐蚀疲劳裂纹均以穿晶扩展为主；与350 ℃水环境中相比，500 ℃蒸汽环境中的腐蚀疲劳裂纹的开裂程度更大，裂纹扩展面中球状氧化物颗粒尺寸更大，氧化更严重，且表面存在明显凹坑。

• 稳定化退火冷却速率对617合金组织和拉伸性能的影响

  陈灵芝, 阚琛, 张果, 张茂源, 齐嘉宁, 郑越

  对617合金进行980 ℃×3 h稳定化退火处理，并分别在冷却速率30，80，150 ℃·h?1以及空冷（约100 ℃·min?1）方式下冷却至750 ℃，再空冷至室温，研究了冷却速率对合金显微组织、室温和750 ℃高温拉伸性能的影响。结果表明：在空冷以及150，80 ℃·h?1冷却速率下稳定化退火后，合金的显微组织差异不明显，晶界和晶内均分布着M23C6析出相颗粒，且晶界的析出相数量更多；在30 ℃·h?1冷却速率下晶内少量M23C6析出相明显粗化，晶界处分布着细小破碎状M23C6颗粒，晶界发生了小范围的迁移。不同冷却速率下合金的室温拉伸性能无明显变化；在空冷以及150，80 ℃·h?1冷却速率下，高温强度无明显变化，在30 ℃·h?1冷却速率下抗拉强度降低4.5%。617合金在980 ℃×3 h稳定化退火时的冷却速率应不低于80 ℃·h?1。