[發(fā)明專利]核裂變堆燃料包殼表面CrAlSiN梯度涂層制備工藝

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110344681.X
• 申請(qǐng)日: 2011-11-04
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102400099A
• 公開(kāi)（公告）日: 2012-04-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊吉軍;唐軍;劉寧;楊遠(yuǎn)友;廖家莉
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 四川大學(xué)
• 主分類號(hào): C23C14/06
• 分類號(hào): C23C14/06;C23C14/35;C23C14/02;G21C3/20
• 代理公司: 成都科海專利事務(wù)有限責(zé)任公司 51202
• 代理人: 劉雙蘭

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于核裂變反應(yīng)堆部件表面的改性技術(shù)領(lǐng)域，具體地涉及一種在核裂變反應(yīng)堆中超臨界水冷堆燃料包殼表面沉積抗高溫氧化腐蝕性能與力學(xué)性能優(yōu)異的鉻鋁硅氮(CrAlSiN)梯度涂層的制備新工藝。

背景技術(shù)

核能作為一種高效、經(jīng)濟(jì)與持久的能源，在解決全世界面臨的能源危機(jī)、保護(hù)環(huán)境質(zhì)量等方面綜合優(yōu)勢(shì)顯著。2002年，第四代反應(yīng)堆國(guó)際論壇篩選出6種堆型，超臨界水冷堆(SCWR)是其中之一。SCWR是在水的熱力學(xué)臨界點(diǎn)以上運(yùn)行的高溫高壓水冷反應(yīng)堆，是未來(lái)最值得研發(fā)的水冷反應(yīng)堆。SCWR具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單、循環(huán)效率高、工業(yè)化基礎(chǔ)好等優(yōu)點(diǎn)，有望成為今后低成本發(fā)電的主力堆型。然而，燃料包殼是SCWR最為關(guān)鍵的部件之一。SCWR最高的蒸汽溫度，也即最大熱效率取決于燃料包殼材料的長(zhǎng)時(shí)間蠕變強(qiáng)度和抗腐蝕性能。在超臨界工況下，燃料包殼的高溫高達(dá)650℃、超臨界蒸汽參數(shù)其壓力高達(dá)25MPa，溫度超過(guò)500℃，以及堆芯內(nèi)慢化劑密度的巨大變化，均超出目前的壓水堆和沸水堆設(shè)計(jì)中所積累經(jīng)驗(yàn)的范圍。因此，現(xiàn)有的燃料包殼材料已不能滿足超臨界水冷堆中抗腐蝕性能和力學(xué)性能要求[超臨界水冷堆燃料包殼管用低活性F/M鋼的優(yōu)化設(shè)計(jì).康人木，劉國(guó)權(quán)，胡本芙等.原子能科學(xué)技術(shù).第43卷第6期.2009]。目前，低腫脹奧氏體不銹鋼如D9、1.4970、316Ti等是主要的SCWR燃料包殼的備選材料，這些材料具有強(qiáng)度高、輻照腫脹低、焊接性好、中子經(jīng)濟(jì)性較好等優(yōu)點(diǎn)。然而，上述材料在超臨界水冷堆中的抗高溫氧化腐蝕性能較差，在SCWR燃料包殼長(zhǎng)期服役過(guò)程中，過(guò)大的腐蝕速率將導(dǎo)致燃料包殼破裂。

在SCWR燃料包殼表面沉積抗高溫氧化腐蝕的功能涂層，能有效地解決上述問(wèn)題，由此該技術(shù)也成為了近年來(lái)學(xué)術(shù)界與工程界的研究熱點(diǎn)。考慮到鋼中Cr含量相對(duì)較高、Cr元素對(duì)鋼鈍化的影響，人們最初趨向于在燃料包殼表面沉積Cr合金涂層。一方面，Cr合金涂層與基材的界面可形成Fe-Cr化合物，實(shí)現(xiàn)化學(xué)冶金結(jié)合，附著力較好；另一方面，涂層中的Cr元素能在涂層表面與腐蝕環(huán)境中的O元素能形成氧化物膜，阻礙腐蝕介質(zhì)的浸透，具有較好的抗高溫氧化性能。但是，Cr合金涂層的強(qiáng)度、硬度等相對(duì)較低，強(qiáng)烈的熱沖擊可能導(dǎo)致涂層延性變形、過(guò)早破裂[超音速火焰噴涂Fe-Cr基涂層的硬度與汽蝕性.吳玉萍，林萍華，王澤華.材料熱處理學(xué)報(bào).第30卷第1期.2009]。隨后，人們則趨向于Cr基氮化物涂層。相對(duì)于Cr合金涂層，Cr基氮化物涂層在抗氧化腐蝕性能等方面更具優(yōu)勢(shì)。例如，CrN涂層的抗氧化溫度可達(dá)600℃；此外，還具有約18GPa的較好硬度[硬質(zhì)與超硬涂層-結(jié)構(gòu)、性能、制備與表征，宋貴宏，杜昊，賀春林；北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2007]。近年來(lái)，隨著納米技術(shù)的迅速發(fā)展，Cr基納米復(fù)合涂層由于在抗高溫氧化、硬度、摩擦磨損、抗熱震等性能方面呈現(xiàn)出了極佳的優(yōu)勢(shì)，從而引起了研究者的廣泛關(guān)注。例如，CrAlSiN納米復(fù)合涂層的抗高溫氧化溫度可達(dá)1000℃以上，且具有優(yōu)異的力學(xué)性能，涂層硬度值可達(dá)到41GPa[Mechanical?properties?and?oxidation?behavior?of(Al，Cr)N?and(Al，Cr，Si)N?coatings?for?cutting?tools?deposited?by?HPPMS.K.Bobzin，N.Bagcivan，P.Immich.Thin?Solid?Films.517.2008]。

盡管Cr基納米復(fù)合涂層具有優(yōu)異的抗腐蝕性能與力學(xué)性能，但將它們應(yīng)用于燃料包殼常用的鋼材質(zhì)基材時(shí)，需要面臨極大的難題，即涂層與鋼的界面結(jié)合力問(wèn)題。由于涂層與基材的性質(zhì)差異懸殊，往往使得燃料包殼在服役過(guò)程中涂層/基材界面極易發(fā)生失效，導(dǎo)致涂層剝落。鑒于此，諸多研究者通過(guò)調(diào)制涂層的元素成分及組織結(jié)構(gòu)來(lái)解決上述問(wèn)題。例如，有人也通過(guò)形成元素成分呈梯度變化的涂層來(lái)提高其與基材的界面結(jié)合力。由于涂層成分的梯度變化導(dǎo)致涂層無(wú)亞層界面形成，同時(shí)涂層與基材共有元素成分導(dǎo)致它們能實(shí)現(xiàn)化學(xué)冶金結(jié)合，因而能大幅度提高其界面結(jié)合力等。此外，梯度結(jié)構(gòu)涂層往往還表現(xiàn)出更為優(yōu)越的韌性、抗熱震性能等。鑒于梯度結(jié)構(gòu)薄膜具有的優(yōu)異性能，但至今還尚未有CrAlSiN梯度涂層的研究與應(yīng)用。在核裂變反應(yīng)堆中超臨界水冷堆燃料包殼表面沉積抗高溫氧化腐蝕性能與優(yōu)異力學(xué)性能的CrAlSiN梯度涂層的新工藝，這正是本發(fā)明的任務(wù)所在。

發(fā)明內(nèi)容