一种核反应堆燃料包壳纳米复合涂层及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种核反应堆燃料包壳纳米复合涂层及其制备方法，涉及纳米复合涂层技术领域。所述纳米复合涂层包括在核燃料包壳表面依次叠层设置的金属层、第一过渡层、第二过渡层及功能层；所述金属层的成分为Cr；所述第一过渡层的成分为CrN；所述第二过渡层的成分为CrCN；所述功能层的成分为CrTiSiCN。本发明专利技术提供的涂层具有良好结合力，通过降低涂层中N元素含量，引入C元素，一方面提高燃料包壳的中子经济性，另一方面获得高表面硬度和低摩擦系数的C单质相，并达到强减摩耐磨及高导热效果。并达到强减摩耐磨及高导热效果。并达到强减摩耐磨及高导热效果。

【技术实现步骤摘要】
一种核反应堆燃料包壳纳米复合涂层及其制备方法


[0001]本专利技术涉及纳米复合涂层
，具体涉及一种核反应堆燃料包壳纳米复合涂层及其制备方法。

技术介绍

[0002]核能作为一种绿色清洁高效能源，既能够增加能源供应、优化能源结构，同时能大大减少温室气体和污染气体的排放，在我国能源构成中已成为不可或缺的重要组成部分，未来也应该将发展核电作为中国能源战略的重点。压水堆用轻水做冷却剂和慢化剂，压水堆堆芯置于一个圆筒形压力容器内。燃料元件用锆合金管做包壳，内装二氧化铀芯块。锆合金包壳作为反应堆堆芯放射性的第一道屏障，具有低中子吸收截面，抗高温水腐蚀性能，良好的传热性能，良好的力学性能及抗辐照性能等一系列优点，被称为“原子时代的第一金属”。
[0003]然而锆合金包壳材料在反应堆正常运行工况环境下仍然存在着诸多的问题，流致振动引起的燃料棒与隔架间的微动磨损被认为是燃料棒失效的最重要原因之一。此外，当发生冷却剂缺失事故(LOCA)时，反应堆内温度会迅速升高，可达1200℃，在如此高的温度下，锆合金包壳会与水蒸汽发生反应，释放出氢气与大量的热，严重情况下会导致氢爆发生严重事故。所以，如何保证锆合金包壳在失水事故中的安全性也是一个亟待解决的问题。表面涂层技术作为改善当前锆合金燃料包壳综合性能的重要手段，是目前的研究重点。
[0004]人们起初趋向于在燃料包壳表面沉积金属Cr涂层，一方面因Cr有较低的中子吸收截面，另一方面也得益于Cr元素能在涂层表面与腐蚀环境中的O元素形成致密氧化物膜，从而阻止腐蚀介质的进一步腐蚀，具有较好的抗高温氧化性能。但因其硬度较低，耐磨性能较差，强度较低，在某些极端条件下会导致涂层开裂或磨损失效，故其综合使用性能还有待研究。同样，能够在表面形成致密氧化层的元素还包括Al、Si元素，然而有研究指出，对于一些含Al涂层，在模拟压水堆正常情况时，发现了AlO(OH)的生成，其生长速度快，附着力差，不利于腐蚀性能的发挥，导致涂层发生剥落，从而成为限制Al元素使用的一个重要因素。
[0005]而近年来随着利用传统硬质涂层的元素掺杂设计具有纳米晶/非晶包覆结构的超硬纳米纳米复合涂层材料概念的提出，在部件表面改性领域显示出极其诱人的应用前景。例如，Ti
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Si
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N薄膜(nc
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TiN/a
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Si3N4)具有纳米复合结构和高硬度、高弹性模量、抗高温氧化性和强韧性的理想组合，充分显示出单一纳米薄膜材料无法比拟的优越性，已成为引人注目的超硬薄膜材料之一。但对于此类含N元素涂层，其N含量较高，而N具有较高的热中子吸收截面，会大幅度降低包壳使用过程中的中子经济性。目前核反应堆中压水堆燃料包壳用锆合金抗高温水蒸汽腐蚀性能较差及存在微动磨损等问题。为此，如何保证涂层具有良好的抗高温氧化性及高耐磨性能的同时，降低涂层对包壳使用过程中带来的不利影响是包壳涂层需要解决的关键问题之一。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是为了解决上述
技术介绍
中存在的不足，本专利技术提供了一种核反应堆燃料包壳纳米复合涂层及其制备方法，该涂层具有良好结合力，通过降低涂层中N元素含量，引入C元素，一方面提高燃料包壳的中子经济性，另一方面获得高表面硬度和低摩擦系数的C单质相，并达到强减摩耐磨及高导热效果。同时，与未涂层燃料包壳相比，本专利技术所涉及涂层也显著降低了其在高温水蒸汽环境下的腐蚀增重。
[0007]本专利技术第一个目的是提供一种核反应堆燃料包壳纳米复合涂层，包括在核燃料包壳表面依次叠层设置的金属层、第一过渡层、第二过渡层及功能层；
[0008]所述金属层的成分为Cr；
[0009]所述第一过渡层的成分为CrN；
[0010]所述第二过渡层的成分为CrCN；
[0011]所述功能层的成分为CrTiSiCN；
[0012]所述纳米复合涂层的复合结构为nc
‑
(Cr,Ti)(C,N)/a
‑
Si3N4/a
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C。
[0013]优选的，所述CrN中的Cr含量为60～70at％，N含量为30～40at％；
[0014]所述CrCN中的Cr含量为50～60at％，C含量为12～18at％，N含量为20～30at％；
[0015]所述CrTiSiCN中的Cr的含量为27.4
‑
33.6at％，Ti含量为33.0
‑
45.9at％，Si含量为2.7％
‑
5.0at％，C含量为9.8
‑
22.2at％，N含量为8.6％
‑
25.0at％。
[0016]优选的，所述金属层的厚度为0.2
‑
0.4μm，所述第一过渡层的厚度为0.3
‑
0.5μm，所述第二过渡层的厚度为0.5
‑
0.7μm，所述功能层的厚度约为5
‑
6μm。
[0017]本专利技术第二个目的是提供一种核反应堆燃料包壳纳米复合涂层的制备方法，包括以下步骤：
[0018]S1、对包壳基材表面进行抛光、喷砂预处理；
[0019]S2、在惰性气体气氛中，采用射频离子源对基材表面进行离子刻蚀，随后在基材表面进行第一阴极弧等离子体沉积，得到金属层；
[0020]S3、在氮气气氛中，真空度为1.0
‑
1.5Pa下，在金属层表面进行第一阴极弧等离子体沉积，得到第一过渡层；
[0021]S4、在惰性气体和氮气气氛中，真空度为0.5
‑
0.7Pa下，在第一过渡层表面同步进行直流磁控溅射和第一阴极弧等离子体沉积，得到第二过渡层；
[0022]S5、在惰性气体和氮气气氛中，在第二过渡层表面同步进行直流磁控溅射、第一阴极弧等离子体沉积、第二阴极弧等离子体沉积，得到功能层；
[0023]即得核反应堆燃料包壳纳米复合涂层；所述第一阴极弧等离子体沉积靶材为金属Cr靶；所述第一直流磁控溅射靶材为C靶；所述第二阴极弧等离子体沉积靶材为TiSi合金靶。
[0024]优选的，所述C靶为石墨靶；所述TiSi合金中Ti含量为85at％，Si含量为15at％。
[0025]更优选的，
[0026]S2中，所述第一阴极弧等离子体沉积的条件包括：时间20
‑
40min，偏压100～400V，弧流100A，占空比为30～50％；
[0027]S3中，所述第一阴极弧等离子体沉积的条件包括：时间10
‑
15min，偏压100V，弧流100A。占空比为30～50％；
[0028]S4中，所述第一阴极弧等离子体沉积的条件包括：时间10
‑
15min，偏压100V，弧流100A，占空比为30～50％；所述直流磁控溅射的条件包括：时间10
‑
15min，偏压为100V，溅射电流为2.0
‑
2.5A；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种核反应堆燃料包壳纳米复合涂层，其特征在于，包括在核燃料包壳表面依次叠层设置的金属层、第一过渡层、第二过渡层及功能层；所述金属层的成分为Cr；所述第一过渡层的成分为CrN；所述第二过渡层的成分为CrCN；所述功能层的成分为CrTiSiCN；所述纳米复合涂层的复合结构为nc
‑
(Cr,Ti)(C,N)/a
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Si3N4/a
‑
C。2.根据权利要求1所述的核反应堆燃料包壳纳米复合涂层，其特征在于，所述CrN中的Cr含量为60～70at％，N含量为30～40at％；所述CrCN中的Cr含量为50～60at％，C含量为12～18at％，N含量为20～30at％；所述CrTiSiCN中的Cr的含量为27.4
‑
33.6at％，Ti含量为33.0
‑
45.9at％，Si含量为2.7％
‑
5.0at％，C含量为9.8
‑
22.2at％，N含量为8.6％
‑
25.0at％。3.根据权利要求1所述的核反应堆燃料包壳纳米复合涂层，其特征在于，所述金属层的厚度为0.2
‑
0.4μm，所述第一过渡层的厚度为0.3
‑
0.5μm，所述第二过渡层的厚度为0.5
‑
0.7μm，所述功能层的厚度约为5
‑
6μm。4.一种权利要求1～3任一项所述的核反应堆燃料包壳纳米复合涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、对包壳基材表面进行抛光、喷砂预处理；S2、在惰性气体气氛中，采用射频离子源对基材表面进行离子刻蚀，随后在基材表面进行第一阴极弧等离子体沉积，得到金属层；S3、在氮气气氛中，真空度为1.0
‑
1.5Pa下，在金属层表面进行第一阴极弧等离子体沉积，得到第一过渡层；S4、在惰性气体和氮气气氛中，真空度为0.5
‑
0.7Pa下，在第一过渡层表面同步进行直流磁控溅射和第一阴极弧等离子体沉积，得到第二过渡层；S5、在惰性气体和氮气气氛中，在第二过渡层表面同步进行直流磁控溅射、第一阴极弧等离子体沉积、第二阴极弧等离子体沉积，得到功能层；即得核反应堆燃料包壳纳米复合涂层；其中，所述第一阴极弧等离子体沉积的靶材为金属Cr靶；所述第一直流磁控溅射的靶材为C靶；所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：马大衍，恽迪，李浩，刘俊凯，杨健乔，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：