锆合金表面氮化与离子镀复合涂层及其制备方法技术

本发明专利技术公开了锆合金表面氮化与离子镀复合涂层制备技术，制备锆合金表面氮化与离子镀复合涂层的方法包括：(1)将锆基材进行表面预处理；(2)将步骤(1)所得锆基材进行软氮化处理；(3)在步骤(2)所得锆基材的表面形成Cr过渡涂层；(4)在所述Cr过渡涂层的表面形成TiAlSiN工作涂层，以便得到所述复合涂层。该方法通过在锆合金表面进行软氮化处理并形成Cr过渡涂层及TiAlSiN工作涂层的复合涂层，可显著提高锆合金的高温抗氧化性能和膜基结合力。

Nitriding and Ion Plating Composite Coating on Zirconium Alloy Surface and Its Preparation Method

The invention discloses the preparation technology of composite coating of nitriding and ion plating on zirconium alloy surface, and the methods for preparing composite coating of nitriding and ion plating on zirconium alloy surface include: (1) surface pretreatment of zirconium base material; (2) soft nitriding treatment of zirconium base material obtained in step (1); (3) formation of Cr transition coating on the surface of zirconium base material obtained in step (2); (4) formation of TiAlSi transition coating on the surface of the said Cr transition coating. N working coating to obtain the composite coating. The high temperature oxidation resistance and film-base adhesion of zirconium alloys can be significantly improved by soft nitriding on the surface of zirconium alloys and forming a composite coating of Cr transition coating and TiAlSiN working coating.

【技术实现步骤摘要】
锆合金表面氮化与离子镀复合涂层及其制备方法
本专利技术涉及材料科学领域，具体而言，本专利技术涉及锆合金表面氮化与离子镀复合涂层及其制备方法。
技术介绍
锆合金因具有良好的综合性能，被广泛应用于核反应堆材料。在所有的堆芯结构材料中，核燃料包壳管的工作条件最为苛刻，核燃料包壳管处在核反应堆核能裂变反应，核能转换成热能的释放部位，同时它是防止反应堆放射性裂变产物向外逸出的首道屏障，需经受高温、氧化、腐蚀、冲刷、辐射环境的考验。在腐蚀反应和辐射作用下产生的氢以及燃料元件料包壳中存在的氢可能导致核燃料包壳管吸氢致脆，严重影响堆心的安全性。正常工况条件下核燃料包壳管表面热点设计温度超过600℃，在失水事故下核燃料包壳管表面温度将会进一步提高至1000～1200℃，当其与水蒸气反应时会放出大量的热加速燃料元件的失效。然而，现有的锆合金材料仍无法胜任严苛的工况要求。
技术实现思路
本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一，延长锆合金的使用寿命。为此，本专利技术的一个目的在于提出锆合金表面氮化与离子镀复合涂层的方法。该方法通过在锆合金表面进行软氮化处理并形成Cr过渡涂层及TiAlSiN工作涂层的复合涂层，可显著提高锆合金的高温抗氧化性能和膜基结合力。在本专利技术的第一方面，本专利技术提出了一种制备锆合金表面氮化与离子镀复合涂层的方法，其特征在于，包括：(1)将锆基材进行表面预处理；(2)将步骤(1)所得锆基材进行软氮化处理；(3)在步骤(2)所得锆基材的表面形成Cr过渡涂层；(4)在所述Cr过渡涂层的表面形成TiAlSiN工作涂层，以便得到所述锆合金表面氮化与离子镀复合涂层。根据本专利技术实施例的锆合金表面氮化与离子镀复合涂层的方法，通过在经过表面预处理的锆基材进行软氮化处理，可提高基材表面的硬度，缩小基材与涂层之间的硬度差值，从而减小残余应力的存在，提高膜基结合力；进而在锆基材表面依次形成Cr过渡涂层和TiAlSiN工作涂层，相对于现有技术直接在基材表面形成工作涂层的工艺，本专利技术通过在经过氮化处理和锆基材与TiAlSiN工作涂层之间设置高硬度的Cr过渡涂层，可以使材料形成由锆基材至Cr过渡涂层、TiAlSiN工作涂层硬度逐渐增强且梯度变化的硬度分布趋势，从而提高TiAlSiN工作涂层的膜基结合力和高温抗氧化能力。由此，将采用本专利技术方法用于制备核反应堆的核燃料包壳管表面，可显著提高包壳管的强度和抗氧化能力，降低反应堆失水事故下锆合金包壳管的高温氧化速率，改善反应堆的安全裕量。另外，根据本专利技术上述实施例的制备锆合金表面氮化与离子镀复合涂层的方法还可以具有如下附加的技术特征：在本专利技术的一些实施例中，步骤(1)中，所述锆基材为Zr4合金。在本专利技术的一些实施例中，步骤(1)中，所述表面预处理包括：砂纸打磨、抛光、超声波清洗。在本专利技术的一些实施例中，步骤(2)中，所述软氮化处理的条件包括：处理温度520～600℃，处理时间为30～3600min，氨气流量为100～8000L/min，甲醇滴加量为0.5～13mL/min，冷却介质为防锈水。在本专利技术的一些实施例中，步骤(3)中，通过多弧离子镀工艺在所述锆基材的表面形成Cr过渡涂层，所述多弧离子镀工艺的工艺参数包括：偏压为-200～0V，电流为30～95A，气压为1～2Pa，温度为室温至400℃。在本专利技术的一些实施例中，步骤(4)中，通过多弧离子镀工艺在所述Cr过渡涂层的表面形成TiAlSiN工作涂层，所述多弧离子镀工艺的工艺参数包括：偏压为-300～0V，电流为10～90A，气压为1～3Pa，温度为室温至300℃。在本专利技术的一些实施例中，所述Cr过渡涂层的厚度为5～6μm。在本专利技术的一些实施例中，所述TiAlSiN工作涂层的厚度5～6μm。在本专利技术的第二方面，本专利技术提出了一种锆合金表面氮化与离子镀复合涂层。根据本专利技术的实施例，该复合涂层是由上述实施例的制备锆合金表面氮化与离子镀复合涂层的方法制备得到的。根据本专利技术实施例的锆合金表面氮化与离子镀复合涂层，其锆基材表面经软氮化处理，具有更高的硬度，基材与涂层之间的硬度差值小，由此可减小残余应力的存在，提高膜基结合力。锆基材表面依次形成有Cr过渡涂层和TiAlSiN工作涂层，相对于现有技术直接在基材表面形成工作涂层的工艺，本专利技术通过在经过氮化处理和锆基材与TiAlSiN工作涂层之间设置高硬度的Cr过渡涂层，可以使材料形成由锆基材至Cr过渡涂层、TiAlSiN工作涂层硬度逐渐增强且梯度变化的硬度分布趋势，从而使TiAlSiN工作涂层具有更高的膜基结合力和高温抗氧化能力。由此，将本专利技术的锆合金表面氮化与离子镀复合涂层制备方法用于制备核反应堆的核燃料包壳管表面，可显著提高包壳管的强度和抗氧化能力，降低反应堆失水事故下锆合金包壳管的高温氧化速率，改善反应堆的安全裕量。本专利技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明本专利技术的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1是根据本专利技术一个实施例的制备锆合金表面氮化与离子镀复合涂层的方法流程示意图；图2是根据本专利技术一个实施例的锆合金表面氮化离子镀复合涂层制备工艺流程图；图3是根据本专利技术一个实施例的基材/氮化/铬/TiAlSiN复合涂层的划痕试验摩擦力声信号图；图4是现有技术中一种工艺制备得到基材/TiAlSiN涂层的划痕试验摩擦力声信号图；图5是现有技术中再一种基材/TiAlSiN涂层的划痕试验摩擦力声信号图；图6是现有技术中一种工艺制备得到的基材/氮化/TiAlSiN涂层的划痕试验摩擦力声信号图；图7是现有技术中再一种工艺制备得到的基材/氮化/TiAlSiN涂层的划痕试验摩擦力声信号图；图8是根据本专利技术一个实施例的基材/氮化/铬/TiAlSiN复合涂层的氧化增重实验氧化动力学曲线；图9是根据本专利技术再一个实施例的基材/氮化/铬/TiAlSiN复合涂层的氧化增重实验氧化动力学曲线。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施例。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。在本专利技术的第一方面，本专利技术提出了一种制备锆合金表面氮化与离子镀复合涂层的方法，其特征在于，包括：(1)将锆基材进行表面预处理；(2)将步骤(1)所得锆基材进行软氮化处理；(3)在步骤(2)所得锆基材的表面形成Cr过渡涂层；(4)在Cr过渡涂层的表面形成TiAlSiN工作涂层，以便在锆合金表面得到复合涂层。需要说明的是，在本文中，“锆合金表面氮化与离子镀复合涂层”也称为“基材/氮化/铬/TiAlSiN复合涂层”。下面参考图1对根据本专利技术实施例的制备复合涂层的方法进行详细描述。根据本专利技术的实施例，该方法包括：S100：表面预处理该步骤中，将锆基材进行表面预处理。根据本专利技术的实施例，锆基材可以为Zr4合金。根据本专利技术的实施例，对锆基材的表面预处理可以包括：砂纸打磨、抛光、超声波清洗。S200：软氮化处理该步骤中，将S100所得锆基材进行软氮化处理。根据本专利技术的实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制备锆合金表面氮化与离子镀复合涂层的方法，其特征在于，包括：(1)将锆基材进行表面预处理；(2)将步骤(1)所得锆基材进行软氮化处理；(3)在步骤(2)所得锆基材的表面形成Cr过渡涂层；(4)在所述Cr过渡涂层的表面形成TiAlSiN工作涂层，以便得到所述锆合金表面氮化与离子镀复合涂层。

【技术特征摘要】
1.一种制备锆合金表面氮化与离子镀复合涂层的方法，其特征在于，包括：(1)将锆基材进行表面预处理；(2)将步骤(1)所得锆基材进行软氮化处理；(3)在步骤(2)所得锆基材的表面形成Cr过渡涂层；(4)在所述Cr过渡涂层的表面形成TiAlSiN工作涂层，以便得到所述锆合金表面氮化与离子镀复合涂层。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述锆基材为Zr4合金。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述表面预处理包括：砂纸打磨、抛光、超声波清洗。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述软氮化处理的条件包括：处理温度为520～600℃，处理时间为30～3600min，氨气流量为100～8000L/min，甲醇滴加量为0.5～13mL/min，冷却介质为防锈水。5.根据权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：李怀林，刘艳红，樊湘芳，邱长军，王晓婧，周军，李涛，夏海鸿，
申请(专利权)人：国家电投集团科学技术研究院有限公司，南华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11