[發明專利]鋯合金表面氮化與離子鍍復合涂層及其制備方法

在審

• 申請號: 201810202163.6
• 申請日: 2018-03-12
• 公開（公告）號: CN109207936A
• 公開（公告）日: 2019-01-15
• 發明（設計）人: 李懷林;劉艷紅;樊湘芳;邱長軍;王曉婧;周軍;李濤;夏海鴻
• 申請（專利權）人: 國家電投集團科學技術研究院有限公司;南華大學
• 主分類號: C23C14/32
• 分類號: C23C14/32;C23C14/06;C23C14/16;C23C8/24;C23C28/00
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 宋合成

本發明公開了鋯合金表面氮化與離子鍍復合涂層制備技術，制備鋯合金表面氮化與離子鍍復合涂層的方法包括：(1)將鋯基材進行表面預處理；(2)將步驟(1)所得鋯基材進行軟氮化處理；(3)在步驟(2)所得鋯基材的表面形成Cr過渡涂層；(4)在所述Cr過渡涂層的表面形成TiAlSiN工作涂層，以便得到所述復合涂層。該方法通過在鋯合金表面進行軟氮化處理并形成Cr過渡涂層及TiAlSiN工作涂層的復合涂層，可顯著提高鋯合金的高溫抗氧化性能和膜基結合力。

技術領域

本發明涉及材料科學領域，具體而言，本發明涉及鋯合金表面氮化與離子鍍復合涂層及其制備方法。

背景技術

鋯合金因具有良好的綜合性能，被廣泛應用于核反應堆材料。在所有的堆芯結構材料中，核燃料包殼管的工作條件最為苛刻，核燃料包殼管處在核反應堆核能裂變反應，核能轉換成熱能的釋放部位，同時它是防止反應堆放射性裂變產物向外逸出的首道屏障，需經受高溫、氧化、腐蝕、沖刷、輻射環境的考驗。在腐蝕反應和輻射作用下產生的氫以及燃料元件料包殼中存在的氫可能導致核燃料包殼管吸氫致脆，嚴重影響堆心的安全性。正常工況條件下核燃料包殼管表面熱點設計溫度超過600℃，在失水事故下核燃料包殼管表面溫度將會進一步提高至1000～1200℃，當其與水蒸氣反應時會放出大量的熱加速燃料元件的失效。

然而，現有的鋯合金材料仍無法勝任嚴苛的工況要求。

發明內容

本發明旨在至少在一定程度上解決相關技術中的技術問題之一，延長鋯合金的使用壽命。為此，本發明的一個目的在于提出鋯合金表面氮化與離子鍍復合涂層的方法。該方法通過在鋯合金表面進行軟氮化處理并形成Cr過渡涂層及TiAlSiN工作涂層的復合涂層，可顯著提高鋯合金的高溫抗氧化性能和膜基結合力。

在本發明的第一方面，本發明提出了一種制備鋯合金表面氮化與離子鍍復合涂層的方法，其特征在于，包括：(1)將鋯基材進行表面預處理；(2)將步驟(1)所得鋯基材進行軟氮化處理；(3)在步驟(2)所得鋯基材的表面形成Cr過渡涂層；(4)在所述Cr過渡涂層的表面形成TiAlSiN工作涂層，以便得到所述鋯合金表面氮化與離子鍍復合涂層。

根據本發明實施例的鋯合金表面氮化與離子鍍復合涂層的方法，通過在經過表面預處理的鋯基材進行軟氮化處理，可提高基材表面的硬度，縮小基材與涂層之間的硬度差值，從而減小殘余應力的存在，提高膜基結合力；進而在鋯基材表面依次形成Cr過渡涂層和TiAlSiN工作涂層，相對于現有技術直接在基材表面形成工作涂層的工藝，本發明通過在經過氮化處理和鋯基材與TiAlSiN工作涂層之間設置高硬度的Cr過渡涂層，可以使材料形成由鋯基材至Cr過渡涂層、TiAlSiN工作涂層硬度逐漸增強且梯度變化的硬度分布趨勢，從而提高TiAlSiN工作涂層的膜基結合力和高溫抗氧化能力。由此，將采用本發明方法用于制備核反應堆的核燃料包殼管表面，可顯著提高包殼管的強度和抗氧化能力，降低反應堆失水事故下鋯合金包殼管的高溫氧化速率，改善反應堆的安全裕量。

另外，根據本發明上述實施例的制備鋯合金表面氮化與離子鍍復合涂層的方法還可以具有如下附加的技術特征：

在本發明的一些實施例中，步驟(1)中，所述鋯基材為Zr4合金。

在本發明的一些實施例中，步驟(1)中，所述表面預處理包括：砂紙打磨、拋光、超聲波清洗。

在本發明的一些實施例中，步驟(2)中，所述軟氮化處理的條件包括：處理溫度520～600℃，處理時間為30～3600min，氨氣流量為100～8000L/min，甲醇滴加量為0.5～13mL/min，冷卻介質為防銹水。

在本發明的一些實施例中，步驟(3)中，通過多弧離子鍍工藝在所述鋯基材的表面形成Cr過渡涂層，所述多弧離子鍍工藝的工藝參數包括：偏壓為-200～0V，電流為30～95A，氣壓為1～2Pa，溫度為室溫至400℃。