一种核电厂锆合金包壳管用耐磨损抗氧化复合涂层及其制备方法技术

本发明专利技术属于核燃料技术领域，具体公开了一种核电厂锆合金包壳管用耐磨损抗氧化复合涂层及其制备方法，包括锆合金包壳管基体、粘结层、耐腐蚀层和耐磨层；本发明专利技术外部中的耐磨层可采用多层膜层，并且多层膜层可采用CrN、Cr3C2、ZrO2等材料实现表面硬度的提升，提高锆合金包壳管的耐磨性能，并采用金属Cr、Nb、Zr等缓冲热膨胀系数差异，减少应力集中，该材料在事故工况下和在高温水蒸气腐蚀环境中，可在最初防护阶段可形成Cr2O3致密氧化膜，减少高温蒸汽环境的影响，在内部粘结层可利用与锆合金匹配的热膨胀系数，避免在升降温过程中产生裂纹或涂层脱落，通过以上对涂层的结构与物相设计，使得涂层具有优异的耐磨损性能和优异的抗高温水蒸汽腐蚀性能。高温水蒸汽腐蚀性能。高温水蒸汽腐蚀性能。

【技术实现步骤摘要】
一种核电厂锆合金包壳管用耐磨损抗氧化复合涂层及其制备方法


[0001]本专利技术涉及核燃料
，具体为一种核电厂锆合金包壳管用耐磨损抗氧化复合涂层及其制备方法。

技术介绍

[0002]轻水反应堆是核电站的主要堆型，采用棒状核燃料元件(以下简称“燃料棒”)。燃料棒由短圆柱状的UO2燃料芯块、锆合金包壳、端塞、贮气腔压紧弹簧等构成，燃料芯块与包壳之间留有一定的间隙，燃料元件充填了惰性气体，如图1所示，图1中：1、端塞，2、锆合金包壳，3、压紧弹簧，4、短圆柱状的UO2燃料芯块。
[0003]继2011年福岛核电站发生灾难之后，为了提高核电站的安全性以应对全厂断电事故，国际核燃料界提出了增强事故容耐受能力的抗事故燃料(Accident Tolerant Fuel)的概念。目前，在压水堆中使用锆
‑
氧化铀系统作为核燃料，而在失水事故工况下，锆合金在1200℃下将与水蒸气发生如下反应：
[0004]Zr+2H2O＝ZrO2+2H2[0005]该反应所产生的氢气不断积聚，将产生氢爆，威胁反应堆安全。在锆合金包壳管表面制备涂层以隔绝失水事故下的水蒸气与锆合金的直接接触，从而减缓事故的发生，增强压水反应堆的安全性。
[0006]对于燃料棒锆合金包壳管，除了抗高温水蒸气腐蚀性能亟需提升外，在寿期末状态下锆合金格架，格架弹簧与燃料棒包壳管间将出现间隙，在冷却剂的冲刷作用下将导致燃料棒振动，格架与燃料棒包壳管之间出现碰撞、摩擦，产生包壳管的微动磨损，严重者将导致包壳管破裂，甚至出现核泄漏。因此，需要提高包壳管的耐磨性能，减少摩擦对包壳管的影响。
[0007]研究表明，含有Cr、Al、Si等元素的材料，如：金属Cr、FeCrAl合金、SiC陶瓷等，在高温水蒸气环境中常可形成Cr2O3、Al2O3、SiO2等致密膜，该膜层可阻碍高温水蒸气向内侵蚀，从而使材料具有抗高温水蒸气腐蚀性能。因此可将该材料作为耐腐蚀涂层使用。
[0008]过渡族金属(Cr、Fe、Zr)的碳化物、氮化物、氧化物，具有优异的耐磨性能。简中华等人采用超音速喷涂制备NiCr
‑
Cr3C2，涂层显微硬度达到950HV
0.3
，具有优良的抗磨损性能。【简中华，马壮，曹素红，等，超音速火焰喷涂WC
‑
Co与NiCr
‑
Cr2C3涂层磨损性能研究，材料工程，2007(7)：21
‑
24】钟厉等人通过磁控溅射技术在钢具表面制备CrN涂层，结果表明膜层结合强度可达31.6N，在5N载荷下涂层具有优异的耐磨损性能。【钟厉，龙永杰，韩西，刀具表面磁控溅射CrN涂层及其耐磨性能研究，表面技术，2018(10)：151
‑
156】林松盛等人在钛合金表面制备了Ti
‑
TiN
‑
Zr
‑
ZrN多层膜，膜厚度约为5.8μm，显微硬度为28.1Gpa，膜基结合力为56N，具有优异的耐磨性能。【林松盛，周克崧，代明江等，钛合金表面Ti
‑
TiN
‑
Zr
‑
ZrN多层膜制备及性能，材料工程，2017(6)：31
‑
35】裴旭等人在45号钢表面表面制备了Ni
‑
ZrO2纳米复合涂层，该涂层的显微硬度可达934.19HV
0.1
，并且具有优异的耐磨性能。【裴旭，易剑，Ni
‑
ZrO2纳米复合涂层制备及其耐磨耐蚀性能研究，浙江理工大学学报，2015(5)：336
‑
339】。
[0009]对于锆合金包壳管的抗高温水蒸气腐蚀性能与耐磨性能亟需提升的情况，虽然有研究人员改善其相关性能，但无法实现2项性能同时大幅提升。本专利技术将过渡族金属的碳化物、氮化物、氧化物(Cr3C2、CrN、ZrN、ZrO2等物质)制备为涂层外层，将增强锆合金包壳管的耐磨性能，并且可将外层制备为多层膜结构，如：制备陶瓷相与金属相交叠多层膜，该结构中金属相增加薄膜韧性，并缓冲热膨胀系数差异，减少应力集中，增强涂层的服役性能。膜层所选用的材料中含有Cr、Si、Al、Ti等易于分别形成Cr2O3、SiO2、Al2O3、TiO2等致密氧化膜的元素，使得膜层兼有抗高温水蒸气腐蚀性能。该专利技术可使得锆合金包壳管的抗高温水蒸气腐蚀性能与耐磨性能均有大幅提升。

技术实现思路

[0010]本专利技术的目的在于提供一种核电厂锆合金包壳管用耐磨损抗氧化复合涂层及其制备方法，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。
[0011]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种核电厂锆合金包壳管用耐磨损抗氧化复合涂层及其制备方法，包括锆合金包壳管基体、粘结层、耐腐蚀层和耐磨层，所述锆合金包壳管基体表面涂覆有粘结层，所述粘结层表面涂覆有耐腐蚀层，所述耐腐蚀层表面涂覆有耐磨层。
[0012]优选的，所述粘结层包括金属材料和陶瓷材料，其中金属材料包括Zr、Cr、Nb和Ni，陶瓷材料包括ZrO2、ZrN、CrN和Cr3C2。
[0013]优选的，所述耐腐蚀层的成分包括Cr、FeCrAl、FeCrSi、ZrAlCrSi、ZrCr2、ZrAl3、ZrSi2、ZrO2、ZrN、ZrC、CrSi2、CrO2、CrN、Cr3C2，其中Cr、Al、Si、Ti为必须元素。
[0014]优选的，所述耐磨层为单一膜层，耐磨层的成分中需含有O、C、N其中的一种元素，并含有Cr、Al、Si、Ti、Zr一种或一种以上元素，包括但不限于以下物质：ZrSi2、ZrO2、ZrN、ZrC、CrSi2、CrO2、CrN、Cr3C2等。
[0015]优选的，所述耐磨层为多层膜层，包括陶瓷相层和金属相层，且陶瓷相层与金属相层交叠往复，其中陶瓷相的组成需含有O、C、N一种元素，并含有Cr、Al、Si、Ti、Zr一种和一种以上元素，金属相的组成由Cr、Fe、Al、Zr、Nb、Ni元素中的一种或多种组成；其中陶瓷相层和金属相层厚度为10
‑
500nm。
[0016]优选的，所述粘结层厚度为0.1
‑
10μm。
[0017]优选的，所述耐腐蚀层厚度为1
‑
30μm。
[0018]优选的，所述耐磨层厚度为0.5
‑
10μm。
[0019]本专利技术还提供一种核电厂锆合金包壳管用耐磨损抗氧化复合涂层的制备方法，包括以下步骤：
[0020]S1.预处理：利用酒精、丙酮等清洗剂对锆合金包壳管进行清洗，去除表面污垢，进行喷沙处理，烘干后将包壳管无尘存放；
[0021]S2.涂覆粘结层：采用磁控溅射、多弧离子镀、热喷涂、冷喷涂、3D激光涂覆、原子层沉积技术在锆合金包壳管表面涂覆粘结层；
[0022]S3.涂覆耐腐蚀层：采用磁控溅射、多弧离子镀、热喷涂、冷喷涂、3D激光涂覆、原子层沉积技术在粘结层表面涂覆耐腐蚀层；
[0023]S4.涂覆本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种核电厂锆合金包壳管用耐磨损抗氧化复合涂层，其特征在于：包括锆合金包壳管基体(1)、粘结层(2)、耐腐蚀层(3)和耐磨层(4)，所述锆合金包壳管基体(1)表面涂覆有粘结层(2)，所述粘结层(2)表面涂覆有耐腐蚀层(3)，所述耐腐蚀层(3)表面涂覆有耐磨层(4)。2.根据权利要求1所述的一种核电厂锆合金包壳管用耐磨损抗氧化复合涂层，其特征在于：所述粘结层(2)包括金属材料和陶瓷材料，其中金属材料包括Zr、Cr、Nb和Ni，陶瓷材料包括ZrO2、ZrN、CrN和Cr3C2。3.根据权利要求1所述的一种核电厂锆合金包壳管用耐磨损抗氧化复合涂层，其特征在于：所述耐腐蚀层(3)的成分包括Cr、FeCrAl、FeCrSi、ZrAlCrSi、ZrCr2、ZrAl3、ZrSi2、ZrO2、ZrN、ZrC、CrSi2、CrO2、CrN、Cr3C2，其中Cr、Al、Si、Ti为必须元素。4.根据权利要求1所述的一种核电厂锆合金包壳管用耐磨损抗氧化复合涂层，其特征在于：所述耐磨层(4)为单一膜层，耐磨层(4)的成分中需含有O、C、N其中的一种元素，并含有Cr、Al、Si、Ti、Zr一种或一种以上元素，包括但不限于以下物质：ZrSi2、ZrO2、ZrN、ZrC、CrSi2、CrO2、CrN、Cr3C2等。5.根据权利要求1所述的一种核电厂锆合金包壳管用耐磨损抗氧化复合涂层，其特征在于：所述耐磨层(4)为多层膜层，包括陶瓷相层(5)和金属相层(6)，且陶瓷相层(5)与金属相层(6)交叠往复，其中陶瓷相的组成需含...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢俊强，李崇，崔严光，陆辉，曾奇锋，陈小强，
申请(专利权)人：上海核工程研究设计院有限公司，
类型：发明
国别省市：