[發明專利]一種核用Zr合金表面Cr涂層的制備方法

有效

• 申請號: 202111136067.4
• 申請日: 2021-09-27
• 公開（公告）號: CN113943926B
• 公開（公告）日: 2023-01-06
• 發明（設計）人: 阮海波;廖海燕;黃偉九;張騰飛;蘇永要
• 申請（專利權）人: 重慶文理學院
• 主分類號: C23C14/32
• 分類號: C23C14/32;C23C14/16;C23C14/02
• 代理公司: 重慶晶智匯知識產權代理事務所(普通合伙) 50229
• 代理人: 李靖

一種核用Zr合金表面的Cr涂層的制備方法，包括Zr合金基體預處理和沉積Cr涂層，所述沉積Cr涂層是電弧離子鍍進行沉積，電弧離子鍍中靶電流為80~100A，偏壓為?150~?200V，每沉積1h，將偏壓調至600~650V，保持3~5min，沉積過程中采用陽極層離子源進行輔助沉積。本發明采用電弧離子鍍沉積的Cr涂層，消除了傳統PVD制備涂層抗氧化性較差的問題，涂層均勻性、致密度高，與基體結合力優異，制備的Cr涂層厚度為7~8μm就能達到事故條件下的高溫抗氧化要求，在1200℃下高溫水蒸氣氧化1h，涂層結構完整，沒有出現破損、裂紋和脫落，含氧增重僅為7.08mg/cm²，較常規制備的Cr涂層降低了79.72%。

技術領域

本發明涉及核電金屬涂層技術領域，具體涉及一種核用Zr合金表面Cr涂層的制備方法。

背景技術

由于鋯（Zr）合金具有良好的核性能是核燃料包殼的首選材料，但在冷卻劑丟失事故（LOCA，Lost of Coolant Accident）下，鋯合金包殼材料溫度會快速升高至1000℃以上，并與高溫水蒸氣發生反應，產生大量氫氣和熱量。溫度大于1200℃時，會造成堆芯融化，并增加氫氣爆炸的風險，進而引起核泄漏。

在Zr合金表面沉積高溫抗氧化涂層，成為短期內提高鋯合金包殼事故容錯能力的重要手段。目前，對于Zr合金表面涂層的研究主要集中在涂層材料和涂層制備工藝兩方面，其中涂層材料主要有純金屬涂層、陶瓷涂層、合金涂層和復合涂層。金屬鉻（Cr）涂層是當前研究最廣泛、最具有潛力的候選材料，其具有與金屬Zr熱膨脹系數相近、抗高溫氧化性能好、熱中子吸收截面低等優點。

物理氣相沉積（PVD）方法制備的Cr涂層雖然具有制備穩點相對較低、涂層均勻、工藝穩定性好等特點，但所制備的涂層會形成柱狀晶，晶粒與晶粒之間會形成較大的間隙，這些間隙會成為O(氧)擴散進Zr合金基體的快速通道，從而加速基體氧化。其次，PVD制備的純Cr涂層，厚度需要達到15μm以上，才能達到事故條件下的高溫抗氧化要求，且涂層越厚，其抗氧化性能越好，但是較厚的Cr涂層存在隨厚度上升，導致涂層的熱中子吸收截面增大，導致核燃料組件中子經濟性下降，膜基結合力變差、晶粒與晶粒之間的孔隙逐漸變大，最終難以達到使用要求。因此在Zr合金表面制備出厚度小、同時具有優異抗氧化性的Cr涂層，具有重要意義。

發明內容

本發明目的在于提供一種核用Zr合金表面的Cr涂層的制備方法。制備的較薄的Cr涂層致密度高、與Zr合金結合力高，具有優異的抗氧化性能。

本發明目的通過如下技術方案實現：

一種核用Zr合金表面的Cr涂層的制備方法，其特征在于：包括Zr合金基體預處理和沉積Cr涂層，所述沉積Cr涂層是電弧離子鍍進行沉積，電弧離子鍍中靶電流為80~100A，偏壓為-150~-200V，每沉積1h，將偏壓調至600~650V，保持3~5min，沉積過程中采用陽極層離子源進行輔助沉積。

本發明采用電弧離子鍍過程中，在離子源輔助沉積下，每隔1h調整偏壓，打斷了沉積過程中形成的有序柱狀晶結構，并通過低能離子束照射輔助作用，為晶相結構的生長提供能量，從而調整偏壓的極短時間內改善形核，促進偏壓調整后的晶核的快速生長和重排，從而減少Cr涂層中晶粒之間的間隙，提高了涂層的致密度和結構均勻性，同時，偏壓的調整，也起到了打磨沉積過程中出現的凸起的晶粒，促進緩慢沉積過程中厚度均勻性，也進一步提高了涂層的致密度和結構均勻性，抑制事故條件下氧向基體的擴散，從而提高Cr涂層在較薄狀態下的抗高溫氧化性能。

進一步，上述沉積溫度為220~300℃，沉積時間為6~8h，沉積壓強為0.5~1Pa。

進一步，Zr合金基體與Cr靶的靶基距離為22~25cm。

進一步，上述陽極層離子源功率為0.8~1kw，頻率為150~200kHz。上述Zr合金基體是Zr-4合金，其合金成分按照質量百分比包括1.5%Sn、0.22%Fe，0.1%Cr。