一种核用锆合金涂层的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种核用锆合金涂层的制备方法，是针对锆合金板高温性能差、工作寿命短的情况，在锆合金板表面激光熔覆FeCrAl涂层，提高锆合金板的高温高压水腐蚀性能，激光熔覆制备的FeCrAl涂层无Fe‑Zr共晶相形成，涂层致密无孔洞裂纹，减少了Fe和Zr相的相互扩散，激光熔覆制备的FeCrAl涂层，高温环境下可有效阻挡氧元素向涂层内部的扩散。

A preparation method of zirconium alloy coating for nuclear use

【技术实现步骤摘要】
一种核用锆合金涂层的制备方法
本专利技术涉及一种核用锆合金涂层的制备方法，属于燃料包壳材料制备的

技术介绍
锆合金是水冷核动力电站、核潜艇中反应堆用包壳材料及堆内结构材料，由于锆合金所处的高温、高压、高辐照通量、高纯水环境，因而锆合金的腐蚀与氧化性能研究为核材料科学领域。性能优异的包壳材料不仅能够为核电站正常工作提供保障，还能够为发生核电事故时的救援提供充分的时间。当前核领域提出的深燃耗、长寿期、零破损目标使提高锆合金的耐腐蚀与抗高温氧化性能有更加重要的学科、经济和安全意义。锆合金在高温工况下将与水蒸汽发生剧烈锆-水反应，从而引发氢爆，存在重大安全隐患。用其他材料替代锆合金，如FeCrAl合金或SiC复合材料，仍在研究中，将用于未来的反应堆堆芯。在这种情况下，可选择抗氧化涂层作为事故容错材料的短期解决方案。自热试验证明了FeCrAl涂层在轻水反应堆LWR正常运行条件下的优异性能。FeCrAl涂层在工况条件下由于Fe-Zr共晶相的形成，可导致FeCrAl涂层失效，Fe和Zr的相互扩散使蒸汽中较高温度下的保护性氧化铝劣化。激光熔覆技术在解决上述问题方面效果显著，可以制备组织致密细小、稀释率低、与基材冶金结合的金属涂层，并减少涂层内部和表面的缺陷，这对高温环境下有效阻挡氧元素向涂层内部的扩散十分有利。此外，激光熔覆还具有材料选择广泛、可调整的工艺参数多、自动化程度高以及熔覆层质量稳定的特点，这一技术还在科学研究中。
技术实现思路
专利技术目的本专利技术的目的是针对背景技术的情况，采用激光熔覆技术，在锆合金表面激光熔覆制备铁铬铝涂层，得到锆合金防护包壳材料，减少裂纹、孔洞缺陷，提高锆合金的抗高温氧化和腐蚀。技术方案本专利技术使用的材料包括：锆合金板、铁粉、铬粉、铝粉、氩气、无水乙醇、去离子水；锆合金板：50mm×50mm×10mm铁粉：Fe，粒度150目，纯度99.8%，固态颗粒，82g±0.1g铬粉：Cr，粒度200目，纯度99.8%，固态颗粒，13g±0.1g铝粉：Al，粒度200目，纯度99.9%，固态颗粒，5g±0.1g氩气：Ar，纯度99.99%，气体，500000cm3±100cm3无水乙醇：C2H5OH，纯度99.5%，液体，2000mL±10mL去离子水：H2O，纯度99.5%，液体，2000mL±10mL激光熔覆焊接方法如下：（1）处理锆合金基体①将锆合金板置于钢质平板上，用180目砂纸打磨锆合金板周边及其正反表面，去除表面氧化物，使基体表面粗糙度达Ra6.3-12.6μm；②清洗，用无水乙醇清洗锆合金板周边及正反表面，去除基体表面污垢，使基体表面洁净；③干燥，将锆合金板放入加热炉中进行加热至100℃处理60min，消除水分和湿气，减少热应力；（2）配粉将铁粉82g±0.1g、铬粉13g±0.1g、铝粉5g±0.1g，置于球磨罐内，球磨转数300r/min，球磨240min，得到混合涂层粉末；（3）激光熔覆焊接锆合金板表面的激光熔覆是在激光器上进行的；①将锆合金板置于激光器的工作台上，正面朝上，固定；②将氩气喷嘴对准工作台上的锆合金板，并固定；③调整好激光焊接机的激光功率1200W~2000W、光斑直径4mm、激光扫描速度5mm/s~11mm/s；④将球磨得到的混合涂层粉末放置于送粉器中，打开氩气开关；⑤同步开启激光器和送粉器，激光束对准锆合金板进行同步送粉扫描焊接，氩气流量为200cm3/min；⑥待激光熔覆涂层冷却至室温后，同步开启激光器和送粉器，激光束对准锆合金板上的涂层进行同步送粉焊接；⑦关掉激光焊接机及氩气瓶，使锆合金板及制得的铁铬铝涂层自然冷却至25℃；⑧清洗，焊接后用无水乙醇进行清洗，清洗后晾干；（4）检测、分析、表征用X射线衍射仪进行XRD成分分析；用维氏硬度仪测定维氏硬度；高温高压水腐蚀增重实验增重率计算；用金相显微镜观察高温高压水腐蚀前后涂层截面微观形貌；结论：锆合金板表面激光熔覆的FeCrAl涂层硬度达到400HV，涂层相组成为FeCr固溶体相，高温氧化增重率有明显减小，涂层截面无孔洞、无裂纹，为低扩散核用锆合金防护涂层。有益效果本专利技术与
技术介绍
相比具有明显的先进性，是针对锆合金板高温性能差、工作寿命短的情况，在锆合金表面激光熔覆FeCrAl涂层，以提高锆合金板的高温高压水腐蚀性能，激光熔覆技术制备的FeCrAl涂层无Fe-Zr共晶相形成，涂层致密、无孔洞裂纹，减少了Fe和Zr的相互扩散。此制备方法工艺先进，高温环境下有效阻挡氧元素向涂层内部扩散，技术参数精确，是先进的核用锆合金涂层的制备方法。附图说明图1核用锆合金涂层的激光熔覆状态图图2FeCrAl涂层模拟核用工况环境下保温72h氧化增重曲线对比图图3FeCrAl涂层的XRD图图4FeCrAl涂层维氏硬度图图5FeCrAl涂层截面微观形貌图图中所示，附图标记清单如下：1、支撑臂，2、工作臂，3、激光熔覆焊枪，4、氩气管，5、送粉器，6、氩气瓶，7、锆合金板，8、工作台，9、升降台座，10、铁铬铝涂层。具体实施方式以下结合附图对本专利技术做进一步说明：图1所示，为核用锆合金涂层的激光熔覆焊接状态图，各部位置、连接关系要正确，安装牢固。激光焊机为立式，在激光焊机的中部为支撑臂1，在支撑臂1的右上部为工作臂2，在工作臂2的右端部设有激光熔覆焊枪3、氩气管4，氩气管4连接氩气瓶6，氩气管与氩气瓶中间设有有送粉器5；在激光焊机的下部设有升降台座9，在升降台座9上部设有工作台8，在工作台8上为锆合金板7，锆合金板7上部为铁铬铝涂层10。图2所示，为FeCrAl涂层模拟核用工况环境下保温72h氧化增重曲线对比图，曲线1为锆合金基体高温氧化增重曲线，曲线2为FeCrAl涂层氧化增重曲线，可以看出，相比锆合金基体，FeCrAl涂层氧化高温氧化增重明显减少。图3所示，为FeCrAl涂层的XRD图，从图中可看出，激光熔覆制得的FeCrAl涂层无Fe-Zr共晶相形成，大部分为FeCr固溶体相。图4所示，为FeCrAl涂层维氏硬度图，从图中可看出，基体维氏硬度200HV，是激光熔覆后得到的图5所示，为FeCrAl涂层维氏硬度图，从图中可看出，基体维氏硬度200HV，激光熔覆后得到的FeCrAl涂层维氏硬度400HV。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种核用锆合金涂层的制备方法，其特征在于：/n使用的材料包括：锆合金板、铁粉、铬粉、铝粉、氩气、无水乙醇、去离子水；/n锆合金板：50mm×50mm×10mm/n铁粉：Fe，粒度150目，纯度99.8%，固态颗粒，82g±0.1g/n铬粉：Cr，粒度200目，纯度99.8%，固态颗粒，13g±0.1g/n铝粉：Al，粒度200目，纯度99.9%，固态颗粒，5g±0.1g/n氩气：Ar，纯度99.99%，气体，500000cm

【技术特征摘要】
1.一种核用锆合金涂层的制备方法，其特征在于：
使用的材料包括：锆合金板、铁粉、铬粉、铝粉、氩气、无水乙醇、去离子水；
锆合金板：50mm×50mm×10mm
铁粉：Fe，粒度150目，纯度99.8%，固态颗粒，82g±0.1g
铬粉：Cr，粒度200目，纯度99.8%，固态颗粒，13g±0.1g
铝粉：Al，粒度200目，纯度99.9%，固态颗粒，5g±0.1g
氩气：Ar，纯度99.99%，气体，500000cm3±100cm3
无水乙醇：C2H5OH，纯度99.5%，液体，2000mL±10mL
去离子水：H2O，纯度99.5%，液体，2000mL±10mL
激光熔覆焊接方法如下：
（1）处理锆合金基体
①将锆合金板置于钢质平板上，用180目砂纸打磨锆合金板周边及其正反表面，去除表面氧化物，使基体表面粗糙度达Ra6.3-12.6μm；
②清洗，用无水乙醇清洗锆合金板周边及正反表面，去除基体表面污垢，使基体表面洁净；
③干燥，将锆合金板放入加热炉中进行加热至100℃处理60min，消除水分和湿气，减少热应力；
（2）配粉
将铁粉82g±0.1g、铬粉13g±0.1g、铝粉5g±0.1g，置于球磨罐内，球磨转数300r/min，球磨240min，得到混合涂层粉末；
（3）激光熔覆焊接
锆合金板表面的激光熔覆是在激光器上进行的；
①将锆合金板置于激光器的工作台上，正面朝上，固定；
②将氩气喷嘴对准工作台上的锆合金板，并固定；

【专利技术属性】
技术研发人员：李玉新，杨宜鑫，聂金浩，白培康，赵占勇，李忠华，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：山西;14