电子束熔覆CrAl涂层提升N18锆合金高温高压服役性能：温度场模拟与微观结构调控研究

本文通过电子束熔覆(EBC)技术在N18锆合金表面制备CrAl涂层，结合有限元温度场模拟与正交实验，系统研究了加速电压、光斑直径等参数对熔覆层纳米硬度(11.2 GPa，达基底4倍)和腐蚀性能的影响。研究发现涂层中形成的AlCr2/Al88Cr55金属间化合物及梯度界面结构，使氧化层厚度降低14.5%，为核反应堆锆合金包壳材料的性能优化提供新思路。

　　

Highlight

试样制备

将热轧退火态N18锆合金(Zr-1.04Sn-0.30Nb-0.34Fe-0.08Cr, wt%)切割成10×10×5 mm立方体，表面经3000目砂纸打磨后超声清洗。采用80 wt% Cr与20 wt% Al混合粉末压制1 mm厚预置层，为电子束熔覆(EBC)实验提供标准化基底。

网格划分

在Abaqus CAE平台建立三维简化模型，根据CrAl涂层与锆合金基体的实际热物参数(导热系数、比热容等)，采用局部网格加密策略(如图1所示)平衡计算精度与效率。

正交实验设计

研究表明当电子束熔覆(EBC)参数优化时，熔覆层可实现无裂纹的冶金结合。本研究选取加速电压(58 kV)、光斑直径(100 μm)、扫描速度(8 mm/s)作为关键变量，通过L₉(3⁴)正交表探究参数组合对表面粗糙度、纳米硬度的影响规律。

微观结构演变

优化参数下的熔覆层表面平整致密(图12a)，X射线衍射(XRD)检测出AlCr₂和Al₈₈Cr₅₅两种金属间化合物(图12b)。能谱(EDS)分析显示界面元素呈梯度分布，这种"成分缓冲带"结构显著提升了界面结合强度。

结论

(1) 通过ABAQUS模拟与正交实验确定最优参数组合：加速电压58 kV、光斑直径100 μm、扫描速度8 mm/s；

(2) CrAl熔覆层纳米硬度达11.2 GPa，较基体提升约4倍；

(3) 梯度界面结构使30天腐蚀实验后氧化层厚度减少14.5%。