[發(fā)明專利]熔煉放射性金屬用小口徑石墨坩堝防護(hù)涂層的制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810632516.6
• 申請(qǐng)日: 2018-06-19
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN108754390B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-04-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 于月光;侯偉驁;劉建明;沈婕;黃凌峰;彭浩然;冀曉鵑;章德銘
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京礦冶科技集團(tuán)有限公司;北礦新材科技有限公司
• 主分類號(hào): C23C4/129
• 分類號(hào): C23C4/129;C23C4/11;C23C4/08;C23C4/02;C23C4/18
• 代理公司: 北京華仁聯(lián)合知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11588
• 代理人: 尹春雷

本發(fā)明公開(kāi)了一種熔煉放射性金屬用小口徑石墨坩堝防護(hù)涂層的制備方法，屬于材料防護(hù)技術(shù)領(lǐng)域。采用純鉬條棒和陶瓷條棒及火焰噴槍，通過(guò)合理設(shè)計(jì)涂層結(jié)構(gòu)和孔隙率以及噴涂后對(duì)涂層進(jìn)行激光致密化處理，所制備的復(fù)合防護(hù)涂層厚度200～1000微米，孔隙率在10％～30％之間可調(diào)節(jié)，組織均勻，表面致密，有效提高了小口徑石墨坩堝熔煉放射性金屬時(shí)的雜質(zhì)元素阻隔性能和使用壽命。也可用于其他對(duì)雜質(zhì)元素污染敏感的特種合金熔煉。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于材料防護(hù)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種石墨坩堝防護(hù)涂層的制備方法，尤其涉及一種熔煉放射性金屬用小口徑石墨坩堝長(zhǎng)壽命防護(hù)涂層的制備方法。

背景技術(shù)

石墨材料耐高溫、易于加工、抗熱沖擊性能優(yōu)良，已成為熔煉放射性金屬重要和普遍采用的坩堝材料。但石墨系多孔材料常溫下會(huì)吸附一定數(shù)量的氣體、水分，加熱時(shí)會(huì)逸出，并且石墨本身在加熱時(shí)蒸汽壓較高，可在高溫下直接或間接與許多元素形成碳化物，影響被熔煉金屬的純度和性能。因此，在熔煉放射性金屬及其他對(duì)純度要求高的金屬及合金時(shí)，對(duì)石墨坩堝內(nèi)表面進(jìn)行防護(hù)是十分必要的。

石墨坩堝內(nèi)表面的防護(hù)方法主要包括內(nèi)襯防護(hù)和涂層防護(hù)。采用水冷銅內(nèi)襯、氧化物陶瓷內(nèi)襯等對(duì)石墨坩堝進(jìn)行防護(hù)，對(duì)于大規(guī)模熔煉而言成本太高。涂層防護(hù)方法主要有刷涂、火焰噴涂、等離子噴涂、化學(xué)氣相沉積、磁控濺射等。其中，采用刷涂制備的涂層結(jié)合強(qiáng)度較低、致密性較差。采用磁控濺射、化學(xué)氣相沉積制備的致密薄膜對(duì)石墨坩堝進(jìn)行防護(hù)，生產(chǎn)成本和效率利于大規(guī)模生產(chǎn)，但涂層較薄，使用壽命和可靠性不足。使用火焰噴涂和等離子噴涂涂層防護(hù)的石墨坩堝具有價(jià)格較低、阻隔效果較好、生產(chǎn)效率高等優(yōu)勢(shì)，已成為石墨坩堝內(nèi)表面防護(hù)涂層制備技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

目前的石墨坩堝防護(hù)涂層多采用雙層體系(陶瓷涂層/金屬粘結(jié)涂層)的復(fù)合涂層。直接與基體接觸的粘結(jié)涂層為Mo、Nb、W等金屬或合金，用以改善陶瓷面層與基體的粘結(jié)性能，同時(shí)保護(hù)石墨基體不與氧化物陶瓷面層反應(yīng)，通常采用氧氣-乙炔火焰噴涂(FS)、大氣等離子噴涂(APS)、棒材火焰噴涂(NORTON)技術(shù)制備。陶瓷涂層為Y₂O₃、CaZrO₃、Y₂O₃部分穩(wěn)定的ZrO₂(YSZ)等氧化物，在高溫下不與放射性金屬及合金反應(yīng)，熱穩(wěn)定性好，通常利用大氣等離子噴涂(APS)、棒材火焰噴涂(NORTON)技術(shù)制備。

研究表明石墨坩堝防護(hù)涂層失效的主要原因?yàn)橥繉觿兟?，其主要原因是服役過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力：由溫度梯度引起的熱應(yīng)力，熱膨脹不匹配引起的熱應(yīng)力，涂層內(nèi)部產(chǎn)生的相變應(yīng)力。較大尺寸石墨坩堝在噴涂前通常進(jìn)行400～500℃預(yù)熱處理，噴涂后緩慢冷卻，可以降低熱應(yīng)力，提高涂層的結(jié)合強(qiáng)度。但小口徑石墨坩堝熱容較小，噴涂前預(yù)熱對(duì)于提高涂層結(jié)合強(qiáng)度無(wú)明顯效果。

研究表明對(duì)于給定的涂層材料，石墨坩堝防護(hù)涂層的防護(hù)性能及使用壽命與其厚度、結(jié)合強(qiáng)度和孔隙率有直接關(guān)系?？紫堵试降?，厚度越大，防護(hù)性能越好。結(jié)合強(qiáng)度越高，涂層壽命越長(zhǎng)?？紫堵蔬^(guò)低會(huì)導(dǎo)致涂層的高溫性能變差，孔隙率過(guò)高會(huì)降低涂層的結(jié)合強(qiáng)度和內(nèi)聚強(qiáng)度，涂層的防滲透性能與可靠性變差。陶瓷面層孔隙率在15～20％時(shí)具有最佳的抗熱沖擊性能。防護(hù)涂層厚度一般要求100～200微米，對(duì)于純度要求較高、熔煉時(shí)間較長(zhǎng)的放射性金屬熔煉需要更大的涂層厚度。由于熱輸入較大及熱膨脹性能不匹配等原因，防護(hù)涂層厚度增大后易剝落失效。

采用傳統(tǒng)的氧氣-乙炔火焰噴涂技術(shù)噴涂陶瓷材料時(shí)熔化效果較差，涂層內(nèi)聚強(qiáng)度較低。傳統(tǒng)大氣等離子噴涂工藝噴涂陶瓷材料時(shí)的焰流長(zhǎng)度一般為80～120mm，制備的陶瓷涂層孔隙率一般為3～15％，調(diào)節(jié)范圍較小，等離子內(nèi)孔噴槍的噴涂能力一般為直徑＞50mm的通孔，噴涂坩堝類盲孔時(shí)極易燒槍。陶瓷棒火焰噴涂工藝熔化效果好，制備的陶瓷涂層孔隙率一般為5～30％，調(diào)節(jié)范圍較大，束斑直徑小，焰流有效噴涂距離長(zhǎng)(200～400mm)，適宜于進(jìn)行小內(nèi)孔(直徑＜100mm，深度100～300mm)石墨坩堝的防護(hù)涂層制備。傳統(tǒng)陶瓷條棒的內(nèi)部顆粒尺寸較粗大，用于內(nèi)孔涂層制備時(shí)易形成未熔顆粒夾雜、大孔隙等缺陷。