The Effect of crystal textures on the anodic oxidization of zirconium in a boiling nitric acid solution

沸騰硝酸水溶液中におけるジルコニウムの陽極酸化に及ぼす結晶配向の影響

加藤 千明   ; 石島 暖大 ; 上野 文義  ; 山本 正弘 

Kato, Chiaki; Ishijima, Yasuhiro; Ueno, Fumiyoshi; Yamamoto, Masahiro

硝酸水溶液でジルコニウムの応力腐食割れに関して、ジルコニウムの陽極酸化に及ぼす結晶配向の影響を調査した。酸化ジルコニウム膜の成長挙動は、脱不動態化電位(1.47V vs. SSE)で、劇的に変化した。1.5Vでは、酸化皮膜は速く成長し、その平均皮膜厚さは電荷量に比例して増加した。酸化皮膜は周期的な3乗則に従った成長挙動を示した。周期的な3乗則に従った成長挙動への遷移前では、酸化皮膜の成長挙動に結晶配向の影響を及ぼさなかった。しかし、皮膜成長の遷移後は、酸化皮膜の平均皮膜厚さと厚い酸化皮膜の下に生じたき裂は結晶配向の影響を受けた。(0002)面が配向している圧延面では、その平均皮膜厚さは減少し、皮膜内のき裂により皮膜の剥離が生じた。(0002)面に垂直面である圧延方向面では、厚い酸化皮膜の下には、圧延方向に深く進展したき裂が観察された。き裂は酸化物層の中をジルコニウム母材の(0002)面に沿って進展した。酸化物層は、ひも状の酸化ジルコニウムとジルコニウム水素化物からなり、ひも状の酸化ジルコニウムは、単斜晶ZrOに加えて斜方晶ZrOを含んでいた。外部応力が無い条件でき裂が発生・進展した機構の1つの仮定として、(0002)面に析出した水素化物の酸化と、その後に生じる斜方晶ZrOから単斜晶ZrOへの相変態がその原因の一つと考えられた。

The effects of crystal textures and the potentials in the anodic oxidation of zirconium in a boiling nitric acid solution were investigated to study the stress corrosion cracking of zirconium in nitric acid solutions. The growth of the zirconium oxide film dramatically changed depending on the applied potential at a closed depassivation potential (1.47 V vs. SSE). At 1.5 V, the zirconium oxide film rapidly grows, and its growth exhibits cyclic oxidation kinetics in accordance with a nearly cubic rate law. The zirconium oxide film grows according to the quantity of electric charge, and the growth rate does not depend on the crystal texture in the pretransition region before the cyclic oxidation kinetics. However, the growth and cracking under the thick oxide film depend on the crystal texture in the transition region. On the normal direction side, the oxide film thickness decreases on average since some areas of the thick oxide film are separated from the specimen surface owing to the cracks in the thick oxide. On the rolling direction side, cracks are found under the thick oxide film, which deeply propagate along the RD without an external stress. The cracks under the thick oxide film propagate to the center of the oxide layer. The cracks in the oxide layer propagate in the (0002)Zr plane in the zirconium matrix. The oxide layer consists of string-like zirconium oxide and zirconium hydride. The string-like zirconium oxide contains orthorhombic ZrO in addition to monoclinic ZrO. As one assumption for the mechanism of crack initiation and propagation without an external stress, it is considered that the oxidizing zirconium hydrides precipitate in the (0002)Zr and then the phase transformation from orthorhombic ZrO to monoclinic ZrO in the oxide layer causes the crack propagation in the (0002) plane.