[發明專利]一種用于鋯合金包殼管外表面的涂層及制作方法

在審

• 申請號: 202110494834.2
• 申請日: 2021-05-07
• 公開（公告）號: CN113293374A
• 公開（公告）日: 2021-08-24
• 發明（設計）人: 崔嚴光;李崇;盧俊強;周云清;惲迪;馬大衍
• 申請（專利權）人: 上海核工程研究設計院有限公司
• 主分類號: C23C28/00
• 分類號: C23C28/00;C23C8/00;G21C3/07
• 代理公司: 上海精晟知識產權代理有限公司 31253
• 代理人: 劉寧

本發明公開了一種用于鋯合金包殼管外表面的涂層及制作方法，所述涂層為在所述鋯合金包殼管基體上依次覆上ZrN過渡層和Cr工作層；所述ZrN過渡層厚度在0.12～2μm；所述Cr工作層為主成分為氧化釔摻雜穩定氧化鋯的工作層。本發明能有效抑制Cr工作層與鋯合金基體之間的元素互擴散，避免在高溫下Cr工作層與基體之間的元素互擴散。且在淬火條件下該ZrN層在應力作用下產生孿晶能有效緩釋涂層與基體之間由于熱膨脹系數不匹配產生的應力，增強涂層與基體的結合力，避免涂層的破裂失效。

技術領域

本發明涉及一種輕水反應堆用鋯合金表面涂層，以顯著提高鋯合金包殼管耐高溫蒸汽氧化性能。

背景技術

目前國內外正在開展研究，試圖獲得一種抗LOCA事故的核燃料元件(AccidentTorlerent Fuel，ATF)。

鑒于燃料棒具有耐磨損與抗LOCA事故中高溫蒸汽腐蝕等多種需求，目前國內外正針對燃料棒的鋯合金包殼開發保護性涂層，該涂層應使燃料棒兼具耐磨性和耐蒸汽腐蝕功能。Cr涂層是公認的能夠同時增加燃料棒耐磨性和耐蒸汽腐蝕功能的涂層。但是在高溫環境下由于Cr涂層與鋯合金基體間發生元素互擴散導致涂層厚度減薄，影響其結構完整性，其次在溫度高于1330℃，Cr金屬與鋯合金基體發生共熔反應，破壞涂層的完整性。因此，若在涂層與基體中間加屏蔽層，能夠有效解決這一問題。

發明內容

本發明的目的在于為輕水反應堆燃料棒的鋯合金包殼管提供一種涂層，該涂層顯著提高鋯合金包殼管在正常工況下的耐水腐蝕性能以及事故工況下的耐高溫蒸汽腐蝕性能，能抑制涂層與基體間的元素互擴散。

一種用于鋯合金包殼管外表面的涂層，所述涂層為在所述鋯合金包殼管基體上依次覆上ZrN過渡層和Cr工作層；所述ZrN過渡層厚度在0.12～2μm；所述 Cr工作層為純Cr。

優選的，所述ZrN過渡層厚度范圍在0.12～1μm。

本發明還提供一種用于鋯合金包殼管外表面的涂層的制作方法，其步驟如下：

第一，對所述鋯合金包殼管基體進行表面預處理；

第二，對表面預處理后的所述鋯合金包殼管基體進行表面氮化，得到所述ZrN過渡層；

第三，將氮化后的所述鋯合金包殼管基體表面沉積Cr工作層。

采用本發明的技術方案可大幅增強現役輕水反應堆的燃料棒耐耐腐蝕能力。與性能相近的Cr涂層相比，本發明能有效抑制Cr涂層與鋯合金基體之間的元素互擴散，避免在高溫下Cr涂層與基體之間的元素互擴散。且在淬火條件下該ZrN 層在應力作用下產生孿晶能有效緩釋涂層與基體之間由于熱膨脹系數不匹配產生的應力，增強涂層與基體的結合力，避免涂層的破裂失效。

因此，本發明適用于現役輕水反應堆燃料棒，與未采用此發明的燃料棒相比，具有較強的耐高溫蒸汽腐蝕性能。

附圖說明

圖1為本發明鋯合金表面涂層截面圖；

其中，1、鋯合金基體，2、ZrN過渡層，3、Cr工作層；

圖2為本發明的制作方法路線圖。

具體實施方式

為使本發明的上述目的、特征和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細的說明。

在鋯合金包殼表面涂覆第一層為ZrN層，用于隔絕Cr工作層與Zr基體；第二層為Cr工作層，抵御高溫水及高溫蒸汽腐蝕。

一種用于鋯合金包殼管外表面的涂層的制作方法，包括如下步驟，

第一，對所述鋯合金包殼管基體進行表面預處理；

第二，對表面預處理后的所述鋯合金包殼管基體進行表面氮化，得到所述 ZrN過渡層；