多元合金涂层、锆合金包壳及燃料组件制造技术

本发明专利技术公开了一种多元合金涂层、锆合金包壳及燃料组件，多元合金涂层包括以下质量百分比的元素：Cr 65％‑90％、Al 3％‑13％、N 0.5％‑8％、Fe 5％‑20％、Zr 1.5％‑12％。本发明专利技术的多元合金涂层，可应用在锆合金包壳上，有效解决涂层与基体热膨胀不匹配的问题，降低热应力，进一步提升了常规Cr涂层的硬度和耐磨性能，通过多元素成分的调控，强化了抗氧化性能，实现涂层在1200℃高温蒸汽环境下的抗氧化保护效果。

【技术实现步骤摘要】
多元合金涂层、锆合金包壳及燃料组件
本专利技术涉及核燃料
，尤其涉及一种多元合金涂层、锆合金包壳及燃料组件。
技术介绍
锆合金在高温条件下，易发生产热、产氢反应，为核反应堆带来了极大的安全隐患。目前，主要有两条途径来提高锆合金的表面性能，进而大幅提升核燃料堆的安全性能：(1)表面涂层技术，通过电镀、化学镀、热喷涂、冷喷涂、气相沉积等技术在锆合金表面覆盖一层异质膜，通过异质膜与基体的紧密结合，可明显提高锆合金在高温水蒸汽条件下的耐腐蚀性能；(2)表面改性技术，通过表面热处理、化学热处理、激光表面处理、离子注入等方式来改变锆合金表面的形貌、化学成分、相组成、微观结构、缺陷状态或应力状态，从而提高其表面性能。目前的锆合金包壳主要焦点在腐蚀、吸氢、耐磨等方面，其中含Cr涂层受到广泛关注，但通常情况下涂层与锆合金基体的界面热膨胀系数差异大问题，导致在热冲击下涂层与锆合金基体产生热应力，降低涂层结合力。常规的金属涂层普遍存在硬度和磨蚀性能较低的问题，且在高温下涂层与锆合金基体易于发生共晶反应；Cr涂层虽然有较好的抗高温蒸汽氧化性能，但抗氧化性能仍有进一步提升的空间。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于，提供一种具有优异的抗高温氧化性能和耐磨性能的多元合金涂层及具有该涂层的锆合金包壳、燃料组件。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种多元合金涂层，包括以下质量百分比的元素：Cr65％-90％、Al3％-13％、N0.5％-8％、Fe5％-20％、Zr1.5％-12％。优选地，所述多元合金涂层的致密度为95％-100％，孔隙率≤5％。优选地，所述多元合金涂层中，Cr和Zr形成固溶体，且在所述固溶体中，Cr和Zr的原子比为64:36-69:31。本专利技术还提供一种锆合金包壳，包括锆合金基体、设置在所述锆合金基体表面的多元合金涂层；所述多元合金涂层包括以下质量百分比的元素：Cr65％-90％、Al3％-13％、N0.5％-8％、Fe5％-20％、Zr1.5％-12％。优选地，所述多元合金涂层的致密度为95-100％，孔隙率≤5％。优选地，所述多元合金涂层中，Cr和Zr形成固溶体，且在所述固溶体中，Cr和Zr的原子比为64:36-69:31。优选地，所述多元合金涂层的厚度为1-100微米。优选地，所述多元合金涂层的厚度为1-20微米。优选地，所述多元合金涂层采用物理气相沉积、溅射、脉冲激光沉积、热喷涂、等离子喷涂、丝弧涂覆、化学气相沉积、电镀、电泳沉积、无电涂覆或原子层沉积方法形成在所述锆合金基体的表面。本专利技术还提供一种燃料组件，包括燃料棒，所述燃料棒包括以上任一项所述的锆合金包壳。本专利技术的多元合金涂层，可应用在锆合金包壳上，有效解决涂层与基体热膨胀不匹配的问题，降低热应力，进一步提升了常规Cr涂层的硬度和耐磨性能，通过多元素成分的调控，强化了抗氧化性能，实现涂层在1200℃高温蒸汽环境下的抗氧化保护效果。具体实施方式本专利技术的锆合金包壳，作为核燃料包壳，其包括锆合金基体、设置在锆合金基体表面的多元合金涂层。其中，多元合金涂层具有多元素，其包括以下质量百分比的元素：Cr(铬)65％-90％、Al(铝)3％-13％、N(氮)0.5％-8％、Fe(铁)5％-20％、Zr(锆)1.5％-12％。多元合金涂层的致密度为95-100％，孔隙率≤5％。在锆合金基体上，多元合金涂层的厚度为1-100微米，优选1-20微米。多元合金涂层可采用但不限于物理气相沉积、溅射、脉冲激光沉积、热喷涂、等离子喷涂、丝弧涂覆、化学气相沉积、电镀、电泳沉积、无电涂覆或原子层沉积等方法形成在锆合金基体的表面。根据形成方法的不同，多元合金涂层中各元素可混合在一起，也可以逐层叠加。在多元合金涂层(CrAlNFeZr)中，Cr为合金主元素，具有良好的钝化作用，在高温蒸汽氧化环境下，可以有效的生成氧化膜，抑制进一步的氧化腐蚀。Cr作为合金主元素，加入Al元素，可以在较低温度下快速形成致密的氧化膜，提升耐腐蚀性能。在CrAl元素的基础上，通过引入Fe元素，可以有效地与Al元素合金化，避免单质Al由于熔点过低在高温下涂层失效。在CrAlFe元素的基础上，通过引入Zr元素，形成Cr-Zr固溶体，可以避免Cr元素与锆合金基体在高温下发生共晶反应；Cr-Zr固溶体中，Cr和Zr的原子比(原子数之比)为64:36-69:31。在CrAlFeZr元素的基础上，通过引入N元素，可以提升合金涂层的硬度和耐磨蚀性能，进一步降低核燃料包壳的破损率。多元合金涂层中，Cr和Zr形成固溶体，且在所述固溶体中，本专利技术的多元合金涂层具有优异的抗高温氧化性能和耐磨性能，在锆合金包壳中，起到保护锆合金包壳在事故工况下高温氧化和抵御格架的微振磨损作用。本专利技术中的多元合金涂层不限于燃料组件中的锆合金包壳，还可设置在其它核燃料组件表面，如仪表管、导向管等，极大地提高了核反应堆在严重事故工况下维持核燃料组件结构与功能完整性的抗事故能力和安全阈值。本专利技术的燃料组件，包括燃料棒，燃料棒包括上述的锆合金包壳。燃料组件中，还包括仪表管、导向管等，仪表管和导向管的表面也可根据需要设置上述的多元合金涂层。以下通过具体实施例对本专利技术作进一步说明。实施例1通过多弧离子镀，在锆合金包壳的基体表面沉积5μm厚度的CrAlNFeZr多元合金涂层，其中各元素质量百分比如下：Cr73％、Al8％、N4％、Fe13％、Zr2％，涂层的致密度＞99％，孔隙率＜1％，涂层与锆合金基体结合强度＞100MPa。在耐高温氧化性能方面，通过在1200℃高温蒸汽氧化1小时后，具有该多元合金涂层的锆合金包壳氧化增重仅为0.25mg/cm2。实施例2通过等离子喷涂，在锆合金包壳的基体表面沉积100μm厚度的CrAlNFeZr多元合金涂层，其中各元素质量百分比如下：Cr82％、Al6％、N2％、Fe8％、Zr2％，涂层的致密度＞98％，孔隙率＜2％，涂层与锆合金基体结合强度＞80MPa。在耐高温氧化性能方面，通过在1200℃高温蒸汽氧化1小时后，具有该多元合金涂层的锆合金包壳氧化增重仅为0.45mg/cm2。实施例3通过磁控溅射，在锆合金包壳的基体表面沉积1μm厚度的CrAlNFeZr多元合金涂层，其中各元素质量百分比如下：Cr65％、Al6％、N8％、Fe9％、Zr12％，涂层的致密度＞99％，孔隙率＜1％，涂层与锆合金基体结合强度＞120MPa。在耐高温氧化性能方面，通过在1200℃高温蒸汽氧化1小时后，具有该多元合金涂层的锆合金包壳氧化增重仅为0.34mg/cm2。实施例4通过磁控溅射，在锆合金包壳的基体表面沉积20μm厚度的CrAlNFeZr多元合金涂层，其中各元素质量百分比如下：Cr52％、Al13％、N7％、Fe20％、Zr8％，涂层的致密度＞99％，孔隙率＜1％，涂层与锆合金基体结合强度＞90MPa。在耐高温氧化性能方面，通过在1200℃高温蒸汽氧化1小时后，具有该多元合金涂层的锆合金包壳氧化增重仅为0.3mg/cm2。实施例5通过磁控溅射，在锆合金包壳的基体表面沉积10μm厚度的CrAlNFeZr多元合金涂层，其中各元素质量百分比如下：Cr90％、Al3％、N0.5％、Fe5％、Zr1.5％，涂层的致密度＞99％，孔本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多元合金涂层，其特征在于，包括以下质量百分比的元素：Cr 65%‑90%、Al 3%‑13%、N 0.5%‑8%、Fe 5%‑20%、Zr 1.5%‑12%。

【技术特征摘要】
1.一种多元合金涂层，其特征在于，包括以下质量百分比的元素：Cr65%-90%、Al3%-13%、N0.5%-8%、Fe5%-20%、Zr1.5%-12%。2.根据权利要求1所述的多元合金涂层，其特征在于，所述多元合金涂层的致密度为95%-100%，孔隙率≤5%。3.根据权利要求1所述的多元合金涂层，其特征在于，所述多元合金涂层中，Cr和Zr形成固溶体，且在所述固溶体中，Cr和Zr的原子比为64:36-69:31。4.一种锆合金包壳，其特征在于，包括锆合金基体、设置在所述锆合金基体表面的多元合金涂层；所述多元合金涂层包括以下质量百分比的元素：Cr65%-90%、Al3%-13%、N0.5%-8%、Fe5%-20%、Zr1.5%-12%。5.根据权利要求4所述的锆合金包壳，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛佳祥，李思功，李锐，刘彤，杨英，黄华伟，张显生，卢志威，
申请(专利权)人：广东核电合营有限公司，中广核研究院有限公司，中国广核集团有限公司，中国广核电力股份有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44