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铀酰溶液中合金腐蚀行为和铀铌合金氧化特性研究

廖俊生  
【摘要】:本论文内容包含两部分,一部分是碳钢(A3)、321不锈钢(1Cr18Ni9Ti SS)和430不锈钢(1Cr17 SS)在硝酸铀酰和碳酸铀酰钠溶液中的腐蚀行为研究工作;另一部分是铀铌合金的氧化特性研究工作。采用全浸均匀腐蚀系统和电化学测试系统研究了碳钢、不锈钢和铀铌合金在腐蚀溶液中的腐蚀行为,热氧化反应系统和热重分析仪研究了铀铌合金在低氧分压和常氧分压下的氧化动力学规律。对在不同试验条件下获得的氧化腐蚀样品,使用XRD、AES、XPS、SEM和TEM等分析技术表征了其物相组成、元素含量和化学形态,以及显微组织结构和表面形貌。 在综述水溶液中铀离子的化学性质,电沉积特性,铁及其合金表面氧化膜形成研究结果,以及铀铌合金在腐蚀介质中的表面氧化特性研究进展的基础上,开展了实验研究和理论计算研究工作。为了研究水溶液中铀酰离子与碳钢、321不锈钢的界面行为,在硝酸铀酰和碳酸铀酰钠溶液中进行了均匀腐蚀和电化学测量试验。碳钢与pH5硝酸介质中10~(-4)mol/L~0.05mol/L铀酰离子发生氧化还原反应,在其表面形成氧化铀沉积膜,且氧化铀生成速率受腐蚀溶液组成的影响。在被二氧化碳饱和的硝酸铀酰溶液中,因铀酰离子与碳酸根离子形成配位化合物,减小了氧化铀沉积膜的生成速率。动电位极化测量表明,在一定电位扫描速率下,铀酰离子对碳钢电极的阳极反应有激活作用,促进碳钢的阳极溶解。电化学阻抗谱研究结果显示,铀酰离子与铁表面有复杂的电极动力学过程,在铁与铀酰离子反应时,在铁表面存在活性的反应位,形成氧化铀和氧化铁的中间化合物。等效电路分析出现感抗和常相位角元件证实有中间化合物的生成,分析认为是在氧化铀/碳钢界面处形成了低价氧化铀。碳钢腐蚀研究结果揭示采用高纯铁与低酸度硝酸铀酰反应生成氧化铀膜是制备氧化铀膜的一种可行的新技术途径。 不锈钢在硝酸溶液中能形成钝化膜,一定温度的硝酸溶液中的铀酰离子与不锈钢界面行为结果,可以揭示不锈钢表面钝化膜的形态。在90℃温度均匀腐蚀条件下,经过40天后,321不锈钢样品在低酸度的硝酸铀酰溶液中的腐蚀速率小于0.04g/m~2.h,铀酰离子以六水硝酸铀酰的形式吸附于321不锈钢表面,在含氯离子和次氯酸根离子的硝酸铀酰溶液中,321不锈钢发生了点蚀,出现了点蚀坑。研究结果表明非电化学腐蚀作用在硝酸铀酰溶液与321不锈钢的界面作用中影响不大,321不锈钢在不含氯离子的硝酸铀酰腐蚀介质中具有良好的耐蚀性能。在电化学腐蚀条件下,铀酰离子的存在有利于321不锈钢表面钝化膜的生成,随着铀酰离子浓度的增加,阳极反应加强,321不锈钢电极的腐蚀电位增大。在低极化电位条件下,321不锈钢表面形成了氧化铀腐蚀膜,膜厚度约为80nm,因电位扫描速率的差异,氧化铀膜的厚度会发生较大的变化。321不锈钢在碱性溶液中有良好的耐蚀性,在含铀酰离子的碳酸钠溶液中,321不锈钢有良好的 铀酞溶液中合金腐蚀行为和铀锡合金氧化特性研究 耐蚀性。321不锈钢在0.06mol/LN山UOZ(CO3)3溶液中,95“C度温度下浸泡约2000小时, 表面均未发生均匀腐蚀现象,只发生了Na;UO:(CO3)。及其水解反应产物的沉积。分析结 果表明在均匀腐蚀过程中,溶液中Na川02(C氏)3出现了复杂的沉积变化过程,初期水解 反应形成致密的N歇UZO:沉积,接着是疏松的UO3沉积,然后是U0。和未发生水解的 Na。UOZ(CO:,),的直接沉积,最后是单一的Na;UO:(C03):沉积。321不锈钢在N山UO:(CO3)。溶 液中有优良的耐蚀性,可以作为碱性铀酞盐溶液的应用材料。 铀妮合金在环境气氛中有良好的的抗腐蚀性能。在室温下氧气与铀妮合金的反应速 率很小,主要是由于合金表面钝化膜的形成,其中妮的氧化物的形成对铀妮合金的氧化 动力学过程有很大的影响。研究结果表明铀妮合金在低氧分压和常氧分压下氧化动力学 符合抛物线规律。给出了铀妮合金的氧化速率常数,和反应的激活能。电化学阻抗谱研 究表明铀妮合金在酸性溶液中的腐蚀行为与一般二元合金的氧化腐蚀行为基本一致。钝 化膜的形成抑制了合金的氧化速率。铀妮合金氧化物中富钒区的形成抑制了氧分子离子 扩散速率,是铀妮合金具有优良抗氧化性能的主要原因之一。


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