自从2011年福岛核电站爆炸发生灾难性事故后，事故容错核燃料（Accident Tolerant Fuel，ATF）的研发成为核电领域下一代先进核材料的重要方向。Cr涂层因其优异的耐腐蚀性、中子辐照耐受性、与锆基体良好的结合性等特点备受关注，而且Cr涂层不改变现有核燃料组件结构和制备工艺，成为目前最具经济性和可行性的事故容错核材料的包壳涂层材料。已有的研究多关注Cr涂层的氧化产物以及ZrO₂形成后的涂层失效机制，而忽视了氧化中Cr涂层中的组织结构演变及其对氧化进程的作用，尤其关于Cr涂层在氧化过程中的孔洞形成与演化规律少有研究。

西安交通大学金属材料强度全国重点实验室孙军院士团队通过原位热重分析、多尺度微观表征与相场模拟相结合的系统研究方法，揭示了微孔主导Cr涂层高温氧化动力学转变的核心机制，为评估Cr涂层在冷却剂损失事故（Loss-Of-Coolant Accident，LOCA）条件下的结构完整性和防护性能提供了全新的视角。

研究发现Cr涂层在高温水蒸气环境中随时间延长的氧化增重行为呈现清晰的三阶段动力学特征（图1）：第一阶段（0–20 min）为抛物线型氧化增重，Cr表面快速形成致密Cr₂O₃层，氧化速率由离子扩散控制；第二阶段（20–160 min）出现偏离抛物线的形式，Cr₂O₃层中因阳离子空位聚集形成微孔，加速氧离子向内扩散，氧化模式从“外部生长”转向“内部生长”；第三阶段（≥240 min）为加速线性氧化，Zr向外扩散与Cr₂O₃发生氧化还原反应，伴随柯肯达尔效应形成Cr/Zr界面孔洞（图2），涂层剥离导致氧化速率急剧上升。

图1 在1100 ℃水蒸气中氧化后试样的形貌与增重曲线:(a) Cr涂层Zr-1Nb合金宏观形貌，(b) Zr-1Nb、Cr涂层Zr-1Nb和纯Cr金属试样的氧化增重曲线

图2 在1100 ℃水蒸气中氧化160 min后Cr₂O₃及Cr涂层中孔洞结构特点: (a)，(a1),(b),(b1) 纳米级和微米级孔洞结构，(c) Cr₂O₃-Zr氧化还原反应引发Cr涂层晶界处形成孔洞，(d) 柯肯达尔效应导致Cr涂层/Cr-Zr扩散层界面形成孔洞

这种独特的动力学转变机制，核心源于“空位聚集-微孔合并-结构失效”的连锁效应：Cr涂层的小尺度特征尺寸（微米尺度的涂层厚度和晶粒尺寸）导致背应力升高，抑制界面位错运动，降低空位湮灭效率，促使Cr₂O₃内部形成微孔（图3）；微孔不仅阻碍Cr阳离子向外扩散，还为氧离子提供快速扩散通道，引发氧化模式转变；后续Zr原子扩散引发的氧化反应与界面孔洞粗化，进一步破坏了涂层完整性，最终导致加速氧化。研究团队通过相场模拟，直观地演示了微孔演化与氧化动力学的耦合过程，进一步验证了微孔对涂层氧化行为的核心调控机制（图4）。

图3 蒸气环境下Cr₂O₃孔洞形成机制。(a) 阳离子空位聚集，(b)-(c) 高背应力的Cr涂层导致Cr/Cr₂O₃界面处空位湮灭效率降低引发孔洞形成，(d) 孔洞阻止金属阳离子向上扩散，(e) 孔洞均匀化过程。

图4 Cr涂层从抛物线到直线氧化增重阶段Cr₂O₃孔洞结构演变的相场模拟：(a) 氧化膜结构，空位浓度和氧化位点的协同演化过程（模拟视频切片），(b) 外生长和内生长氧化膜厚度随时间变化，(c) 模拟的Cr涂层从抛物线转折到直线阶段的氧化增重曲线。

本研究首次明确微孔也是Cr涂层高温氧化动力学转变的关键因素。为核反应堆ATF材料的涂层设计、寿命评估提供了关键结果和依据。同时，研究融合实验表征与相场模拟的研究范式，为Cr涂层高温氧化机制解析提供了新参考。

本研究成果近期以《微孔主导Cr涂层的高温氧化行为：动力学分析与相场模拟》（Micropores governed high-temperature oxidation behavior of Cr coatings: kinetics analysis and phase-field modeling）为题发表在国际材料科学与工程领域综合类著名学术期刊《材料学报》（Acta Materialia）上。西安交通大学材料学院博士生邓鉴玺和左家栋副教授为论文共同第一作者，通讯作者为左家栋副教授、梁传鑫博士后和孙巧艳教授，孙军院士和宋忠孝教授为项目核心指导者。西安交通大学金属材料强度全国重点实验室为论文唯一通讯单位。研究工作得到国家自然科学基金（U21B2057、52301168、52394163）等项目资助，测试表征得到西安交通大学分析测试共享中心和材料学院实验技术中心的大力支持。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2026.121931