[發明專利]用于動態沉積以在鋯合金包殼上形成漸變涂層的涂覆組合物

有效

• 申請號: 201480025399.7
• 申請日: 2014-04-14
• 公開（公告）號: CN105189820B
• 公開（公告）日: 2017-09-26
• 發明（設計）人: E·J·拉霍達;J·P·馬佐科利;徐鵬
• 申請（專利權）人: 西屋電氣有限責任公司
• 主分類號: C23C30/00
• 分類號: C23C30/00;C23F15/00
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所11038
• 代理人: 李躍龍

相關申請的交叉引用

本申請要求2013年5月28日提交的題為"A Kinetically Applied Gradated Ti-Al-C Ceramic or Amorphous or Semi-Amorphous Stainless Steel With Nuclear Grade Zirconium Alloy Metal Structure"的美國臨時專利申請序列號61/827792的優先權，并且通過引用并入本文。

背景技術

本發明涉及涂覆鋯合金核燃料包殼以減少正常或事故條件下暴露于輕水核反應堆的包殼的氧化腐蝕的涂覆組合物和方法。

2.相關技術的說明

鋯合金包殼暴露于在核反應堆中的高的溫度和壓力的水環境可導致包殼表面的腐蝕(氧化)，并可能最后導致金屬脆化。金屬的這種弱化可能不利地影響核燃料芯的性能、壽命和安全余量。在鋯合金包殼表面上包含抗氧化涂層理論上可以保護鋯合金基材免于反應堆環境。然而，存在與這種解決方案相關的問題。例如，實現涂層對鋯合金基材的強粘附力是有問題的，這是由于固有地存在于鋯合金包殼表面的頂部上的微細氧化層。圖1示出了按照現有技術的涂覆鋯合金包殼10。如圖1所示，鋯合金包殼10具有從基材10的直接氧化產生的氧化層12，和由于鋯暴露于空氣、水或其他氧化性介質而添加的另外氧化部分14。涂覆層16施加到氧化部分14。因此，當鋯合金包殼10簡單地涂覆有涂覆層16時，存在四個不同、單獨的層。由于涂覆層16僅沉積在氧化層14的頂部上，因此當暴露于反應堆條件時，該過程通常在涂層中導致涂覆層16的剝離或剝落。此外，在操作過程中，通常在任何涂層中引入熱和輻射誘導的應力，其可導致涂覆層16從鋯 合金包殼10剝離。

構成包殼的鋯合金材料由鋯(Zr)與至多約2重量％的其它金屬，如鈮(Nb)、錫(Sn)、鐵(Fe)、鉻(Cr)及其混合物組成。例如Biancheria等人，Kapil和Lahoda(分別參見美國專利號3427222；5075075；和7139360)教導了這樣的鋯合金包殼管。這些燃料棒/包殼在每一端有一個端蓋和保持裝置例如金屬彈簧以保持封閉的核燃料芯塊堆就位。

涂覆核燃料包殼管的各種方法是本領域已知的。例如，Knight等人,Bryan等人,Van Swam,and Lahoda等人教導了這樣的方法。(分別參見美國專利號6231969；5171520；6005906和7815964)。

此外，Mazzoccoli等(參見2012年11月7日提交的美國專利申請序列號13/670808)公開了用大量粘附性抗氧化材料涂覆鋯合金包殼管的方法，對于Zr-Al-C陶瓷或Ti-Al-C陶瓷或鐵基合金，NanoSteel或Zr-Al合金使用高速的熱施加。具有與此方法相關的缺點，如在熱循環期間涂層無力粘附于基底(base)鋯合金。

因此，有必要在本領域中開發沉積組合物以在鋯合金包殼上形成保護涂層的涂覆組合物和方法，使得該涂層充分粘附于包殼表面，并有效地減少或防止由于包殼的表面暴露于核反應堆冷卻劑水造成的其氧化。

發明內容

在一個方面，通過將涂覆組合物沉積到輕水核反應堆的鋯合金包殼的外表面上以形成至少部分粘附于所述外表面的涂層的方法來實現上述需要和目的。該方法包括提供所述鋯合金包殼，其固有地具有至少部分形成在具有漸變組成的粘附涂層的外表面上的含氧化鋯的層。所述漸變涂覆組合物包括第一組分和第二組分。第一組分選自鋯、氧化鋯及其混合物。第二組分選自Zr₂AlC陶瓷、Ti₂AlC陶瓷、Ti₃AlC₂陶瓷、Αl₂O₃、鋁、硅化鋯、無定形和半無定形合金不銹鋼、以及Zr₂AlC陶瓷、Ti₂AlC陶瓷和Ti₃AlC₂陶瓷的混合物。該方法還包括將所述涂覆組合物動態沉積在包殼的外表面上以形成涂層。涂層具有從包殼的表 面朝向涂層的暴露外表面出現(emanat ing)的梯度，使得從包殼的外表面朝向該涂層的暴露外表面第一組分重量百分數減小，和從包殼外表面到涂層的暴露外表面第二組分的重量百分數增大，基于涂覆組合物的總重量計。