CrAl与Cr涂层对锆合金疲劳行为的影响机制：原位SEM研究与晶体塑性有限元分析

【编辑推荐】本研究通过400℃原位SEM测试结合晶体塑性有限元模型（CPFEM），首次系统揭示CrAl涂层会加速锆合金基体疲劳失效，而磁控溅射（MS）Cr与多弧离子镀（AIP）Cr涂层则显著提升疲劳寿命。创新提出涂层体系疲劳退化的四阶段理论（涂层裂纹萌生-扩展-基体裂纹萌生-扩展），为核用事故容错燃料（ATF）涂层的工程应用提供关键理论支撑。

　　

研究亮点

• CrAl涂层因脆性开裂导致锆合金疲劳寿命缩短，而MS Cr和AIP Cr涂层通过优异延展性使疲劳寿命提升2-3倍

• 首次建立涂层体系疲劳退化的四阶段动态模型：涂层裂纹萌生→涂层裂纹扩展→基体裂纹萌生→基体裂纹扩展

不同涂层对锆合金疲劳寿命的影响

图3展示了400℃下涂层与未涂层锆合金的应力-寿命（S-N）曲线。CrAl涂层锆合金的疲劳寿命比未涂层样品缩短40%，而MS Cr和AIP Cr涂层分别使寿命延长150%和200%。AIP Cr涂层的层状结构能更有效分散应力，其疲劳极限比MS Cr涂层高15%。

涂层对锆合金疲劳失效机制的影响

通过疲劳后显微结构分析发现（图8）：

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  未涂层锆合金：晶粒滑移累积形成表面滑移台阶，最终演变为裂纹源

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  CrAl涂层：脆性贯穿裂纹在1000次循环内即出现，引发界面应力集中

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  Cr涂层：纳米晶结构通过塑性变形吸收能量，延迟基体裂纹萌生至50000次循环后

结论

1. 1.

   CrAl涂层的脆性裂纹会通过界面应力集中加速基体疲劳退化；

2. 2.

   Cr涂层的纳米晶结构和优异变形协调性可抑制基体裂纹萌生，其层状结构设计使AIP工艺效果优于MS工艺；

3. 3.

   建立的CPFEM预测框架成功量化了涂层对锆合金变形机制的影响。