一种超极限锆合金及其制备方法技术

本发明专利技术属于一种锆合金金属材料技术领域，公开了一种超极限锆合金及其制备方法。一种超极限锆合金，包括锆合金基体，锆合金基体表面依次沉积有粘结层、贵金属层、陶瓷A层、陶瓷B层、封严涂层、反射层、反折射层、电绝缘层。超极限锆合金的制备方法为，将粘结层、贵金属层、陶瓷A层、陶瓷B层、封严涂层、反射层、反折射层、电绝缘层依次沉积在锆合金基体表面，形成超极限锆合金。本发明专利技术提供的超极限锆合金的使用温度提高至高于原锆合金熔点100‑500℃，能实现在超极限温度下使用。

A Super Limit Zirconium Alloy and Its Preparation Method

The invention belongs to the technical field of a zirconium alloy metal material, and discloses a super limit zirconium alloy and a preparation method thereof. A super limit zirconium alloy includes a zirconium alloy matrix. The surface of the zirconium alloy matrix is successively deposited with bonding layer, precious metal layer, ceramic A layer, ceramic B layer, sealing coating, reflective layer, refractive layer and electrical insulation layer. The preparation method of ultra-limit zirconium alloy is that the bonding layer, precious metal layer, ceramic A layer, ceramic B layer, sealing coating, reflective layer, refractive layer and electrical insulating layer are deposited on the surface of zirconium alloy in turn to form ultra-limit zirconium alloy. The service temperature of the ultra-limit zirconium alloy provided by the invention is raised to 100 500 C higher than the melting point of the original zirconium alloy, and can be used at the ultra-limit temperature.

【技术实现步骤摘要】
一种超极限锆合金及其制备方法
本专利技术属于一种锆合金金属材料领域，具体涉及一种超极限锆合金及其制备方法。
技术介绍
锆合金，是指以锆为基体，加入其他元素组成的合金。锆合金具有非常低的热中子吸收截面、高硬度、延展性和耐腐蚀性等特性，通常使用在核
，例如用于制作核反应堆内的燃料棒等。由于使用环境的限制，锆合金必须具备良好的高温抗氧化性能和耐腐蚀性、在使用过程中不易脱落失效、便于长期的维护和保养、极端环境(例如超极限温度(超过熔点))下拥有高的稳定性能等性质。而锆合金的熔点为1850℃左右，其使用温度只有其熔点的70％左右，因此现目前的锆合金在核技术中的使用还是存在一定的限制，使得利用锆合金制作的燃料棒的使用寿命较短，且不能长期的稳定运行。
技术实现思路
本专利技术意在提供一种超极限锆合金及其制备方法，以解决现有的锆合金无法在核反应技术中长期稳定的运行的问题。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案，一种超极限锆合金，包括锆合金基体，锆合金基体表面依次沉积有粘结层、贵金属层、陶瓷A层和陶瓷B层。本技术方案的有益效果：专利技术人通过对锆合金进行大量的研究，尝试对锆合金进行改进，以满足锆合金能够在核技术的使用中长期稳定的运行。在专利技术人不断尝试的过程中非常惊喜的发现，通过在锆合金表面沉积一定配比的涂层，能够将锆合金的使用温度提高100-500℃，而在高温环境下将材料的使用温度提高几摄氏度都是非常困难的，因此在锆合金的使用上得到了非常大的突破，从而满足锆合金能够在核技术的使用中长期稳定的运行。本技术方案通过在锆合金基体上沉积粘结层、贵金属层、陶瓷A层、陶瓷B层，能够大大的提高锆合金的使用温度，以适应锆合金在超极限温度的使用。沉积粘结层，能够提高各涂层与锆合金基体之间的粘结效果，避免涂层在使用过程中脱落；沉积贵金属层，能避免氧向涂层内扩散，从而避免锆合金基体氧化。沉积陶瓷A层和陶瓷B层，能够降低热量的传导，从而提高锆合金基体的使用温度。综上所述，本专利技术具有以下技术效果：1、本专利技术提供的超极限锆合金能够克服原有的锆合金在高温高压水蒸气环境下长时间服役导致表面出现氧化物而脱落的情况出现；在高温下长时间服役时，不会出现氧化，从而使得整个部件的使用时间增长。2、本专利技术通过在锆合金基体表面沉积多层涂层，能够将其使用温度提升至高于原锆合金基体熔点100-500℃，以实现锆合金在超极限环境下长时间稳定的使用。3、本专利技术提供的超极限锆合金具有极佳的耐腐蚀性，因而在酸性或碱性条件下的使用时间大大增加，因此能减少材料腐蚀而造成的浪费，节约成本。4、本专利技术提供的超极限锆合金突破了传统锆合金的发展瓶颈，能够在其具有较高熔点的基础上，将其使用温度进一步提升，且提升的温度是一个飞跃性的进步。本专利技术提供的超极限锆合金能够在超极限温度下长期稳定的使用。进一步，所述粘结层的厚度为50～150μm、贵金属层的厚度为10～20μm、陶瓷A层的厚度为50～80μm、陶瓷B层的厚度为50～80μm，所述陶瓷B层表面还依次沉积有5～10μm厚的封严涂层、10～15μm厚的反射层、10～15μm厚的反折射层和15～20μm厚的电绝缘层。有益效果：封严涂层，能够隔绝外界的氧化或腐蚀气氛，使得外界气氛不能直接与内部的涂层反应，从而提升涂层的使用寿命；反射层具有反射热源的效果，从而降低锆合金表面的热源，从而提高使用温度。沉积反折射层，能阻挡红外线在涂层内的折射，从而降低锆合金基体的温度，因此使得制备的锆合金的使用温度提高。电绝缘层能够隔绝导电离子，避免导电离子对锆合金基体的侵蚀，从而提高制备的超极限锆合金的耐腐蚀性。本技术方案通过各涂层及其厚度的配合，使得锆合金的使用温度得到了大大的提升，便于制作航空器使用。进一步，所述粘结层的成分为MCrAlY，MCrAlY为CoCrAlY、NiCoCrAlY或CoNiCrAlY；所述贵金属层为Pt、Ru、Rh、Pd、Ir、Os中的一种或几种的合金。有益效果：NiCoCrAlY和CoNiCrAlY中各元素之间的配比不同，因此制得的材料不同。粘结层具有良好的粘结效果，使得后续的涂层与锆合金机体的粘结效果佳，降低涂层的脱落概率；而贵金属本身具有抗氧化的特性，能有效的阻止高温下氧向粘结层和锆合金基体内扩散，从而提高涂层的抗氧化性能，提高涂层的寿命。进一步，所述陶瓷A层的成分为Y2O3-ZrO2、Y2O3-CeO2、Y2O3-TiO2、Y2O3-CeO2、Y2O3-Yb2O3、Y2O3-Er2O3、Y2O3-Dy2O3、Y2O3-HfO2中的一种或几种的混合物；所述陶瓷B层为RETaO4，RETaO4呈球形，且粒径为10-70μm。有益效果：YSZ或稀土锆酸盐，是一种作为热障涂层普遍使用的物质，易于获得。RETaO4具有低导热率、高膨胀的特性，低导热率能够减少热量的传导，使得在高温环境下，锆合金基体保持低温，从而提高制备的锆合金的使用温度；而高膨胀系数是为了与粘结层的热膨胀系数相匹配，由于贵金属粘结层的热膨胀系数也较大，这样在热循环过程中(即不断加热冷却的过程中)，陶瓷层与粘结层的热失配应力(热膨胀系数不同产生的应力)较小，进而提高涂层的使用寿命。(通俗来讲，当两个热膨胀系数相差较大的涂层沉积在一起时，升温或者降温时，两个涂层的膨胀程度严重不同，就会导致两个涂层之间的应力增大，从而导致两个涂层之间产生裂纹，甚至脱落的问题。)进一步，所述封严涂层的成分为Ti3SiC，REPO4、BN中的一种或几种的混合物。有益效果：上述材料能够隔绝外界的氧化或腐蚀气氛，使得外界气氛不能直接与内部的涂层反应，从而提升涂层的使用寿命。进一步，所述反射层的成分为REVO4、RETaO4、Y2O3中的一种或几种的混合物；反折射层的成分为石墨烯，且石墨烯的空间分布均呈无序排列状态。有益效果：REVO4、RETaO4、Y2O3的反射系数高，因此能够反射热源，降低热辐射，降低锆合金基体温度，从而提高制备的锆合金的使用温度；石墨烯虽然具有较高的折射率，当入射光在照射到反折射层上时，无序排列的石墨烯可以增强光在各个方向的折射，避免入射光在同一方向上发生折射，达到折射分散的效果，这样进入到涂层内的入射光强度下降进一步，所述反折射层的成分为聚四氟乙烯、聚酰亚胺、聚苯醚、聚苯硫醚、聚醚醚酮、双马来酰亚胺、呋喃树脂、氰酸酯树脂、聚芳基乙炔基中的一种或几种的混合物。有益效果：上述材料能够隔离导电离子，避免导电离子进入锆合金基体侵蚀锆合金基体的情况出现。本专利技术还提供另一技术方案，一种超极限锆合金的制备方法，包括以下步骤：步骤一：在锆合金基体表面沉积一层50～150μm厚的粘结层；步骤二：在粘结层表面沉积一层10～20μm厚的贵金属层；步骤三：在贵金属表面沉积一层50～80μm厚的陶瓷A层；步骤四：在陶瓷A层表面沉积一层50～80μm厚的陶瓷B层；步骤五：在陶瓷B层表面沉积一层5～10μm厚的封严涂层；步骤六：在封严涂层表面沉积一层10～15μm厚的反射层；步骤七：在反射层表面沉积一层10～15μm厚的反折射层；步骤八：在反折射层表面沉积一层15～20μm厚的电绝缘层，从而制得超极限锆合金。本技术方案的有益效果：通过对沉积在锆合金基体上的各涂层的厚度进行控制，既能实现制备的超极限锆合金本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超极限锆合金，包括锆合金基体，其特征在于：锆合金基体表面依次沉积有粘结层、贵金属层、陶瓷A层和陶瓷B层。

【技术特征摘要】
1.一种超极限锆合金，包括锆合金基体，其特征在于：锆合金基体表面依次沉积有粘结层、贵金属层、陶瓷A层和陶瓷B层。2.根据权利要求1所述的一种超极限锆合金，其特征在于：所述粘结层的厚度为50～150μm、贵金属层的厚度为10～20μm、陶瓷A层的厚度为50～80μm、陶瓷B层的厚度为50～80μm，所述陶瓷B层表面还依次沉积有5～10μm厚的封严涂层、10～15μm厚的反射层、10～15μm厚的反折射层和15～20μm厚的电绝缘层。3.根据权利要求2所述的一种超极限锆合金，其特征在于：所述粘结层的成分为MCrAlY，MCrAlY为CoCrAlY、NiCoCrAlY或CoNiCrAlY；所述贵金属层的成分为Pt、Ru、Rh、Pd、Ir、Os中的一种或几种的合金。4.根据权利要求2所述的一种超极限锆合金，其特征在于：所述陶瓷A层的成分为Y2O3-ZrO2、Y2O3-CeO2、Y2O3-TiO2、Y2O3-CeO2、Y2O3-Yb2O3、Y2O3-Er2O3、Y2O3-Dy2O3、Y2O3-HfO2中的一种或几种的混合物；所述陶瓷B层为RETaO4，RETaO4呈球形，且粒径为10-70μm。5.根据权利要求2所述的一种超极限锆合金，其特征在于：所述封严涂层的成分为Ti3SiC、REPO4、BN中的一种或几种的混合物。6.根据权利要求2...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯晶，李超，宋鹏，种晓宇，葛振华，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：云南,53