[發(fā)明專(zhuān)利]一種用于鋯管表面的防護(hù)涂層及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210311044.0
• 申請(qǐng)日: 2022-03-28
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN114657510B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-12-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張廣安;尚倫霖;俞磊;曹學(xué)乾;李霞
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所
• 主分類(lèi)號(hào): C23C14/06
• 分類(lèi)號(hào): C23C14/06;C23C14/16;C23C14/02;C23C14/35;G21C3/07;C23C14/32
• 代理公司: 北京眾達(dá)德權(quán)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11570
• 代理人: 田靈菲

本發(fā)明屬于材料表面防護(hù)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于鋯管表面的防護(hù)涂層及其制備方法。所述防護(hù)涂層依次包括：與鋯管基體結(jié)合的硬Cr結(jié)合層、Cr過(guò)渡層和金屬陶瓷復(fù)合層，所述Cr過(guò)渡層在硬Cr結(jié)合層和金屬陶瓷復(fù)合層之間，所述防護(hù)涂層的厚度為9.0～22.0μm；鋯管基體和硬Cr結(jié)合層形成Zr?Cr互擴(kuò)散層，與基體具有優(yōu)異的結(jié)合強(qiáng)度，Cr過(guò)渡層提高硬Cr結(jié)合層和金屬陶瓷復(fù)合層的界面匹配性，同時(shí)其結(jié)構(gòu)致密、無(wú)微孔洞，有效阻礙氧氣、水蒸氣等分子向內(nèi)擴(kuò)滲，金屬陶瓷復(fù)合層具有耐高溫、耐腐蝕、抗氧化和耐磨損的性能。本發(fā)明還提供了防護(hù)涂層的制備方法，能有效地改善鋯管基體的耐高溫、耐腐蝕、抗氧化和耐磨損性能，在核燃料包殼管外壁防護(hù)方面具有良好的應(yīng)用價(jià)值。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于材料表面防護(hù)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于鋯管表面的防護(hù)涂層及其制備方法。

背景技術(shù)

核電是一種清潔、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)的能源，由于核反應(yīng)堆中核裂變過(guò)程釋放能量巨大，并存在大量輻射，具有很強(qiáng)的危害性，因此核安全成為核電發(fā)展中需要解決的首要問(wèn)題，其中作為核安全第一道防線(xiàn)的核燃料包殼管擔(dān)負(fù)著防止核泄漏的重要作用。過(guò)去幾十年，鋯管因其優(yōu)良的耐腐蝕性能、良好的抗輻照性能和加工性能，在核電反應(yīng)堆中作為燃料包殼材料和結(jié)構(gòu)材料得到了廣泛的應(yīng)用。然而，鋯包殼管在核電應(yīng)用中存在的嚴(yán)重隱患是高溫時(shí)會(huì)與水蒸汽發(fā)生反應(yīng)放出大量的氫氣和熱量，導(dǎo)致堆芯熔化和氫氣爆炸事故，對(duì)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)造成不可估量的損失。

目前，在針對(duì)核燃料包殼材料的研究中主要衍生出兩種思路，一種是，如FeCrAl合金、SiC陶瓷/SiC陶瓷基復(fù)合材料、Mo合金等新型燃料包殼材料；另一種是，仍然使用鋯管，但通過(guò)優(yōu)化鋯管中的微量元素含量或在鋯包殼管外壁制備涂層以提高包殼的強(qiáng)度和抗氧化性能。由于核反應(yīng)堆堆芯環(huán)境異常苛刻，包殼需長(zhǎng)期處于高溫高壓腐蝕介質(zhì)中且受中子輻照的影響，幾種新型包殼材料都存在待解決的關(guān)鍵問(wèn)題，迄今為止均未達(dá)到工程應(yīng)用的水平。因此，在鋯包殼管外壁制備防護(hù)涂層成為重要的研究方向，可以提高包殼事故容錯(cuò)能力的。

鋯管表面涂層材料的種類(lèi)選擇、制備方法和性能評(píng)價(jià)等方面仍處于不斷探索階段。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道的現(xiàn)有技術(shù)中，采用冷噴涂或者多弧離子鍍技術(shù)在鋯管表面制備的MAX相涂層具有出色的抗氧化性、抗腐蝕性和良好的抗輻照性，但其熱膨脹系數(shù)與鋯管基體的熱膨脹系數(shù)差異較大，需進(jìn)一步優(yōu)化界面的穩(wěn)定性；采用磁控濺射技術(shù)制備的金屬或金屬基陶瓷涂層微觀結(jié)構(gòu)致密，但沉積速率較低，而多弧離子鍍結(jié)合力優(yōu)異、沉積速率高，卻容易形成柱狀晶結(jié)構(gòu)影響致密性，同時(shí)不可避免會(huì)產(chǎn)生噴射顆粒，形成金屬液滴，影響涂層質(zhì)量。

綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題是：

采用單純的噴涂、多弧離子鍍或者普通的磁控濺射技術(shù)，很難在鋯管表面制備出結(jié)構(gòu)致密、膜基結(jié)合力、耐腐蝕性和耐高溫氧化性、機(jī)械性能、摩擦磨損性能等綜合性能優(yōu)良的金屬或金屬基陶瓷涂層材料。

發(fā)明內(nèi)容

本申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N用于鋯管表面的防護(hù)涂層及其制備方法，以解決鋯管基體與防護(hù)層結(jié)合力差和提高工況環(huán)境中耐腐蝕、抗氧化性的技術(shù)問(wèn)題。

第一方面，本申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N用于鋯管表面的防護(hù)涂層，所述防護(hù)涂層覆蓋于鋯管基體表面，所述防護(hù)涂層依次包括：與鋯管基體結(jié)合的硬Cr結(jié)合層、Cr過(guò)渡層和金屬陶瓷復(fù)合層，所述Cr過(guò)渡層在硬Cr結(jié)合層和金屬陶瓷復(fù)合層之間，所述防護(hù)涂層的厚度為9.0～22.0μm。

可選的，所述金屬陶瓷復(fù)合層包括：N個(gè)Cr₂N層和N個(gè)Cr層交替設(shè)置，其中，N為正整數(shù)，與所述Cr過(guò)渡層結(jié)合的為所述Cr層，所述防護(hù)層外表面為所述Cr₂N層。

可選的，所述硬Cr結(jié)合層的厚度為0.8～1.2μm。

可選的，所述Cr過(guò)渡層的厚度為0.4～0.6μm。

可選的，所述金屬陶瓷復(fù)合層的厚度為8.0～20.0μm。