[發明專利]一種用于核燃料棒鋯合金包殼激光焊接接頭的保護膜制備方法

在審

• 申請號: 201410166204.2
• 申請日: 2014-04-24
• 公開（公告）號: CN105002545A
• 公開（公告）日: 2015-10-28
• 發明（設計）人: 薛文斌;曲堯;賈興娜;陽超林;杜建成;華銘
• 申請（專利權）人: 北京師范大學
• 主分類號: C25D11/26
• 分類號: C25D11/26;G21C3/07
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及金屬材料表面改性處理技術，特別涉及一種鋯合金激光焊接接頭表面電解液制備和微弧氧化的工藝方法，主要適用于提高核燃料棒鋯合金包殼激光焊接接頭的耐腐蝕性能，延長反應堆燃料組件的服役壽命。

背景技術

鋯的熱中子吸收截面小，具有良好的耐高溫水腐蝕性能和高溫力學性能，因此在核動力反應堆中鋯合金被廣泛用做核燃料棒的包殼材料。鋯合金作為核燃料的包殼時，一方面要將核燃料裂變時釋放的熱能傳遞給冷卻劑，同時又要避免燃料與冷卻劑接觸，包容放射性的裂變產物，防止冷卻劑受到放射性物質污染，這是反應堆安全運行的第一道屏障。

核燃料裝入鋯合金包殼管后，包殼管兩端需要采用焊接方法進行密封，以防止核燃料泄漏。激光焊接是密封包殼管的焊接方法之一。根據文獻報導(鋯及鋯合金管道焊接技術探討.趙珍祥.化工設備與管道.2009，46(3)：52-55)，鋯合金激光焊屬于熔化焊接方法，焊接過程造成焊縫與母相的組織性能差異很大，存在焊縫成分蒸發現象并具有很大的殘余應力等問題，這導致鋯合金焊接接頭的耐腐蝕性能明顯低于其它區域。在反應堆的高溫高壓水環境中，鋯合金包殼焊接接頭區域比母相區更容易發生腐蝕，引起包殼破損，這可能會導致核燃料泄漏，降低燃料組件的壽命。目前還缺乏鋯合金包殼管兩端焊接接頭腐蝕防護的有效方法。

微弧氧化技術是一種直接在有色金屬表面原位生長陶瓷層的新技術。將Al、Mg、Ti等金屬或其合金置于電解質水溶液中，施加高電壓使金屬表面產生大量游動的等離子火花放電斑點，在熱化學、等離子體化學和電化學的共同作用下生成致密的陶瓷氧化膜。微弧氧化膜層與金屬基體結合牢固，結構致密，提高了合金的耐磨損、耐腐蝕性能。根據文獻報道(鋯合金表面微弧氧化陶瓷膜制備及特性分析.薛文斌，金乾，朱慶振，華銘.材料而處理學報.2010，(2)：119-122。鋯合金微弧氧化陶瓷膜結構和耐蝕性的研究.郝建民，緱鵬森，郝一鳴，陳宏.熱加工工藝.2013(14)：126-128)，采用微弧氧化方法也可以在鋯合金表面獲得較致密的氧化物陶瓷膜。

核燃料棒鋯合金包殼表面微弧氧化膜應該有良好的致密性、附著力以及適宜的厚度，微弧氧化膜還應該均勻覆蓋在包殼焊接接頭區域和母相區，使鋯合金包殼不同區域都具有良好的耐高溫高壓水腐蝕性能以及腐蝕均勻性。目前尚缺乏一種能夠滿足核燃料棒包殼管焊接接頭的使用環境和耐高溫高壓腐蝕防護要求，并適合鋯合金焊接接頭保護膜制備的電解液及微弧氧化工藝。本發明采用微弧氧化方法在鋯合金激光焊接接頭表面形成均勻致密的陶瓷氧化膜，使焊縫及母相表面陶瓷膜特性一致，提高鋯合金包殼的耐高溫腐蝕性能以及腐蝕均勻性。

發明內容

本發明所要解決的技術難題在于解決鋯合金焊接接頭在高溫水環境中被優先腐蝕問題，提供一種核燃料棒鋯合金包殼激光焊接接頭表面保護膜的制備方法，延長核燃料棒鋯合金包殼在反應堆高溫高壓水環境中的使用壽命。

以下對發明方法作進一步描述，具體如下：

本發明所述用于鋯合金激光焊接接頭表面制備保護膜的電解液為磷酸鈉、氫氧化鉀、甘油組成的水溶液，其中磷酸鈉濃度為2-8g/L，氫氧化鉀濃度為1-8g/L，甘油濃度為2-8g/L的水溶液。所述的水為去離子水。

該電解液適合各種牌號鋯合金的激光焊接接頭表面微弧氧化成膜處理，尤其適用于核燃料棒包殼常用的含鈮或錫的鋯合金材料。

所述的方法是按照以下步驟完成：(1)預處理：將鋯合金激光焊接樣品，用80^#-2000^#砂紙逐級打磨后，放入丙酮溶液中用超聲波清洗除油。(2)微弧氧化處理：將樣品接在電源正極，負極接在不銹鋼電解槽，然后將核級鋯合金激光焊接試樣放入配好的電解液中。采用微弧氧化設備對所述的鋯合金焊接試樣表面進行微弧氧化，直至所述的鋯合金樣品表面生成一層所需厚度的微弧氧化膜。實驗過程中利用氣體攪拌器對電解液進行攪拌，利用水循環冷卻系統對電解槽進行冷卻，控制溶液溫度在30℃以下。微弧氧化處理時，所述微弧氧化電源的正向電壓為+200V～+500V，負向電壓為-50V～-200V，氧化時間10min～60min。