本文由 J. Jayaraj、A. Ravi Shankar 和 U. Kamachi Mudali 等人完成，作者隶属于印度的 Indira Gandhi Centre for Atomic Research (IGCAR)，研究主要发表在期刊 Electrochimica Acta 上，具体为 2012 年第 85 卷，210-219 页。研究聚焦于新型钛基合金 Ti-45Zr-38Al-17 在硝酸介质中的电化学和钝化行为，并结合核燃料后处理工厂的应用需求。
钛及其合金因其耐腐蚀特性，使其成为核燃料后处理工厂中溶解器组件制造的候选材料之一。然而，商用纯钛（CP-Ti）及其他常用钛合金在高浓度硝酸中（尤其是液-气界面）易于发生腐蚀。为了应对这一挑战，研究者开发出一种新型 β 型钛基合金 Ti-45Zr-38Al-17（以下简称 TZA 合金），该合金因其优异的力学性能（1650 MPa 的强度和 20% 的塑性）和冷加工性受到关注。
研究的主要目的是通过系统的电化学实验和表面分析，研究 TZA 合金在不同硝酸浓度中的电化学行为及其表面钝化膜特性，验证其在核燃料后处理高腐蚀环境中的适应性和性能。
本研究包括以下部分：
1. 样品制备与微观结构表征 TZA 合金通过高纯金属原料在氩气环境下经电弧熔炼制成。随后，研究者采用铜模铸造技术制备直径为 0.3 cm、长度为 10 cm 的圆柱形铸件，并通过湿磨（至 1200# 磨砂纸）、无水乙醇清洗和吹干处理样品表面，以保证实验表面可重复性。微观结构表征采用 X 射线衍射（XRD）与场发射扫描电子显微镜（FE-SEM），用于确认证合金的 β 相单相结构（体心立方，BCC）以及柱状晶和等轴晶的分布特征。
2. 电化学研究 实验采用三电极系统，工作电极为 TZA 合金，参比电极为 Ag/AgCl，辅助电极为铂电极。样品在 1 M、6 M 和 11.5 M 硝酸中开展以下电化学实验： - 开路电位（OCP）监测：实验在 1800 秒内记录 OCP 以稳定初始状态。 - 动电位极化实验（Potentiodynamic Polarization）：通过从 OCP 以下 200 mV 至 2000 mV 的扫描以 1 mV/s 的速率评估腐蚀电流密度（J_corr）和钝化电流密度（J_pass）。 - 电化学阻抗谱（EIS）：在 0.1 Hz 至 100 KHz 频率范围内施加 10 mV 振幅的交流扰动，评估样品在 OCP 和钝化条件（1500 mV，3600 s）下的电化学响应。 - Mott–Schottky 分析：通过重量载流子密度测量，计算钝化膜的空间电荷层电容并探讨其半导体特性。
3. 表面分析 通过 X 射线光电子能谱（XPS）对比分析 TZA 合金在空气中自然形成的氧化层（Native Film）与其在 11.5 M 硝酸中浸泡 7 天后形成的钝化膜（Passive Film）。研究者进一步结合溅射深度剖析技术，评估表面膜的厚度和化学组分变化，同时考察氧化物在膜厚方向的分布和稳定性。
1. 微结构与相特性 XRD 和电子显微镜结果证实，TZA 合金为单相 β 钛，具有柱状和等轴晶组成的典型铸态显微组织，其高冷却条件下固化形成的独特微观结构支持其力学性能与电化学稳定性。
2. 电化学性能 - 动电位极化曲线显示，TZA 合金的腐蚀电流密度随硝酸浓度升高而增加，但钝化能力优于商用纯钛（CP-Ti），同时 TZA 合金在硝酸中表现出较低的钝化电流密度，且未观察到活化-钝化过渡现象。 - 开路电位和腐蚀电位（E_corr）随硝酸浓度升高向更高的正电位迁移，这表明硝酸的强氧化性对钝化膜的稳定性起到一定促进作用。
在 EIS 实验中，TZA 合金在高浓度硝酸中展现出较低的极化阻抗值，表明高氧化性环境下的钝化膜较易局部腐蚀。然而，相比 CP-Ti，TZA 合金生成钝化膜的缺陷和离子扩散行为明显降低，表现出更好的腐蚀防护能力。
3. 半导体特性 Mott–Schottky 测试结果表明，TZA 合金钝化膜为 n 型半导体，携带较低的载流子密度（10^20 cm^-3），这与氧空位和金属间隙的减少有关。研究验证，这种低缺陷膜的形成归功于 Zr 和 Al 在合金中的拓补性增强，以及氧离子注入过程的优化。
4. 钝化膜的表面成分 XPS 深度剖析显示，相较于空气形成的自然氧化膜，TZA 合金在硝酸中的钝化膜厚度增加约 30 nm。钝化膜外层由 ZrO2 和 TiO2 占主导，并伴有微量 Al2O3。在硝酸腐蚀环境中，Al2O3 的稳定性显著降低，而 ZrO2 的浓度显著增强，从而成为钝化膜的主要成分。TZA 合金膜的致密性和防护性由 ZrO2 的优异耐腐蚀性决定。
研究通过系统的实验和分析，明确了 TZA 合金在硝酸介质下的耐腐蚀性能远优于 CP-Ti。这主要归因于其能形成高厚度、缺陷少且富含保护性 ZrO2 的钝化膜。这一发现表明，TZA 合金在核燃料后处理中的溶解器制造具有巨大的潜力，不仅满足耐腐蚀需求，还将显著降低维护成本，进一步推动钛合金在核工业中的应用。
研究提出，未来可进一步考察 TZA 合金在沸腾硝酸和气-液界面条件下的表现，并探索热处理及其他合金元素对其钝化性能的提升作用，在极端条件下扩展其应用领域。