[發(fā)明專利]用于包殼基體抗高溫氧化涂層以及制備工藝

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110583063.4
• 申請(qǐng)日: 2021-05-27
• 公開（公告）號(hào): CN113293354B
• 公開（公告）日: 2022-11-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張騰飛;黃偉九;徐照英;廖海燕;蘇永要;阮海波
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 重慶文理學(xué)院
• 主分類號(hào): C23C14/35
• 分類號(hào): C23C14/35;C23C14/16;C23C14/02;G21C3/07
• 代理公司: 重慶市前沿專利事務(wù)所(普通合伙) 50211
• 代理人: 郭麗;郭云

本發(fā)明公開了一種用于包殼基體抗高溫氧化涂層及其制備工藝，該抗高溫氧化涂層包括多層金屬涂層，多層金屬涂層包括依次設(shè)置于包殼基體的金屬M(fèi)o涂層、金屬Al涂層以及金屬Cr涂層，提高了包殼材料的防護(hù)效果以及包殼材料的自適應(yīng)防護(hù)能力。

技術(shù)領(lǐng)域

本申請(qǐng)涉及熱腐蝕防護(hù)技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說，它涉及一種用于包殼基體抗高溫氧化涂層以及制備工藝。

背景技術(shù)

在壓水堆核電站中，鋯合金包殼材料負(fù)責(zé)包裹核燃料并將核裂變產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)到一回路冷卻水中，是核安全的第一道屏障。在反應(yīng)堆正常運(yùn)行時(shí)，包殼材料要承受一回路中高溫高壓水的腐蝕。在發(fā)生失水事故時(shí)，包殼材料的溫度會(huì)在短時(shí)間內(nèi)升至1000℃以上，此時(shí)鋯合金會(huì)與環(huán)境中的水蒸氣發(fā)生劇烈反應(yīng)，生成氫氣，一旦處理不當(dāng)將會(huì)引發(fā)氫氣爆炸，進(jìn)而引發(fā)核泄漏等嚴(yán)重后果。近年來，特別是日本福島核電事故之后，可以抗高溫水蒸氣氧化的耐事故包殼材料成為了研究熱點(diǎn)。

目前，耐事故包殼材料的設(shè)計(jì)思路主要有三種：一是繼續(xù)調(diào)整鋯合金中合金元素的成分以及比例來提高包殼耐事故能力，二是開發(fā)新一代的FeCrAl、SiC、Mo基合金等包殼材料，三是在鋯合金表面沉積耐高溫氧化涂層來提高包殼的耐事故能力。在以上三種設(shè)計(jì)思路中，在鋯合金表面沉積耐高溫氧化涂層的方法不用改變現(xiàn)有反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)，成本及研發(fā)周期可控，既可以在事故條件下提高包殼耐事故能力，又可以在正常運(yùn)行條件下延長(zhǎng)包殼使用壽命，具有很好的應(yīng)用前景。

目前在研的耐事故涂層中，MAX相涂層以及Cr涂層是研究的熱點(diǎn)。MAX相涂層中的Al元素在高溫水蒸氣中能夠形成致密氧化鋁膜，具有極高的耐事故能力，但是Al元素在正常工況下的高溫高壓水中容易被腐蝕溶解。單層金屬Cr涂層在高溫高壓水中具有很好的耐腐蝕性能，但在溫度高于1200℃的水蒸氣中，會(huì)形成易揮發(fā)的氫氧化物，降低耐事故能力。Cr元素與Al組成的單層復(fù)合結(jié)構(gòu)由于高溫高壓下的Al元素容易被溶解，使得不能根據(jù)工況環(huán)境的變化自動(dòng)調(diào)整自身組分，對(duì)包殼基體的防護(hù)效果欠佳。

發(fā)明內(nèi)容

為了提高包殼材料的防護(hù)效果以及包殼材料的自適應(yīng)防護(hù)能力，本申請(qǐng)?zhí)峁┮环N用于包殼基體抗高溫氧化涂層。

一種用于包殼基體抗高溫氧化涂層，包括多層金屬涂層，多層所述金屬涂層包括依次設(shè)置于包殼基體的金屬M(fèi)o涂層、金屬Al涂層以及金屬Cr涂層。

通過采用上述技術(shù)方案，包殼基體最內(nèi)側(cè)的金屬M(fèi)o涂層作為擴(kuò)散阻擋層，通過高的熱溫穩(wěn)定性能夠有效阻擋Al涂層與包殼基體之間的相互擴(kuò)散，防止Al元素在高溫下向基體內(nèi)部擴(kuò)散；中間的金屬Al涂層為抗氧化層，通過Al元素在高溫下生成致密Al₂O₃膜提高涂層的抗高溫水蒸氣氧化性能；最外層的金屬Cr涂層為耐腐蝕層，利用Cr涂層在高溫高壓水中的耐腐蝕性，在正常運(yùn)行時(shí)能夠有效提高包殼基體的使用壽命。

優(yōu)選的，所述包殼基體為鋯合金材質(zhì)。

通過采用上述技術(shù)方案，鋯合金材質(zhì)具有低的中子吸收截面，具有良好的抗輻照損傷能力，在慢中子輻照下不產(chǎn)生強(qiáng)的長(zhǎng)壽命核素；具有良好的抗腐蝕性能、良好的強(qiáng)度、塑性以及蠕變性能。

優(yōu)選的，所述金屬M(fèi)o涂層的厚度為1-3μm，所述金屬Al涂層的厚度為1-5μm，所述金屬Cr涂層的厚度在5-10μm。

通過采用上述技術(shù)方案，當(dāng)金屬M(fèi)o涂層的厚度為1-3μm，金屬Al涂層的厚度為1-5μm，金屬Cr涂層的厚度在5-10μm時(shí)，包殼材料的防護(hù)效果以及包殼材料的自適應(yīng)防護(hù)能力較佳。

優(yōu)選的，所述金屬M(fèi)o涂層的厚度為3μm，所述金屬Al涂層的厚度為5μm，所述金屬Cr涂層的厚度在10μm。

通過采用上述技術(shù)方案，當(dāng)金屬M(fèi)o涂層的厚度為3μm，金屬Al涂層的厚度為5μm，金屬Cr涂層的厚度在10μm時(shí)，包殼材料的防護(hù)效果以及包殼材料的自適應(yīng)防護(hù)能力最佳