一种核电厂锆合金包壳管表面用抗高温水蒸气腐蚀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表面用抗高温水蒸气腐蚀涂层及其制备方法，包括锆合金包壳管基体、粘结层和交叠复合膜层；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交叠复合膜层；本发明专利技术设置有交叠复合膜层，通过材料间的择优匹配，可形成金属/金属交叠复合膜层、金属/陶瓷交叠复合膜层、陶瓷/陶瓷交叠复合膜层三类膜层结构，这三类膜层结构各有优势，尤其是在选择具有优异阻止氧扩散性能的材料作为膜层时具有最佳的防护效果，从而达到抗高温水蒸气腐蚀的目的。高温水蒸气腐蚀的目的。高温水蒸气腐蚀的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种核电厂锆合金包壳管表面用抗高温水蒸气腐蚀涂层及其制备方法


[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表面用抗高温水蒸气腐蚀涂层及其制备方法。

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]面对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。在本专利技术中，将过渡族金属的碳化物、氮化物、氧化物(Cr3C2、CrN、ZrN、ZrO2等物质)与含有Cr、Al、Si等元素的材料分别制备为不同薄膜，而薄膜呈现交叠沉积，可形成兼具耐磨性能与耐腐蚀性能的复合涂层。

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表面用抗高温水蒸气腐蚀涂层及其制备方法，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表面用抗高温水蒸气腐蚀涂层及其制备方法，包括锆合金包壳管基体、粘结层和交叠复合膜层；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交叠复合膜层。
[0012]优选的，所述粘结层由金属和陶瓷材料组成，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，所述交叠复合膜层由第一膜层和第二膜层相交叠复合而成，其中第一膜层和第二膜层成分可包括Zr、Cr、Nb、Ni、Ti、FeCrAl、FeCrSi、ZrAlCrSi、ZrCr2、ZrAl3、ZrSi2、ZrO2、ZrN、ZrC、CrSi2、CrO2、CrN、Cr3C2、Si、SiC、SiO2，且第一膜层和第二膜层由不同成分组成，第一膜层和第二膜层通过循环沉积的方式交叠往复，形成交叠复合膜层。
[0014]优选的，所述粘结层厚度为0.1
‑
10μm。
[0015]优选的，所述交叠复合膜层厚度为1
‑
50μm，其中第一膜层和第二膜层的厚度为10
‑
500nm。
[0016]本专利技术还提供了一种核电厂锆合金包壳管表面用抗高温水蒸气腐蚀涂层的制备方法，包括以下步骤：
[0017]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，烘干后对包壳管封存备用；
[0018]S2.涂覆粘结层：采用磁控溅射、多弧离子镀、热喷涂、冷喷涂、3D激光涂覆在锆合金包壳管基体表面设置粘结层；
[0019]S3.涂覆交叠复合膜层：采用磁控溅射、多弧离子镀、原子层沉积在锆合金包壳管基体位于粘结层表面涂覆交叠复合膜层。
[0020]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术设置有交叠复合膜层，通过材料间的择优匹配，可形成金属/金属交叠复合膜层、金属/陶瓷交叠复合膜层、陶瓷/陶瓷交叠复合膜层三类膜层结构，这三类膜层结构各有优势，尤其是在选择具有优异阻止氧扩散性能的材料作为膜层时具有最佳的防护效果，从而达到抗高温水蒸气腐蚀的目的。
附图说明
[0021]图1为现役核电站的棒状核燃料元件；
[0022]图2为本专利技术涂层横截面的结构示意图。
[0023]图中：1、锆合金包壳管基体；2、粘结层；3、交叠复合膜层；4、第一膜层；5、第二膜层。
具体实施方式
[0024]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种核电厂锆合金包壳管表面用抗高温水蒸气腐蚀涂层，其特征在于：包括锆合金包壳管基体(1)、粘结层(2)和交叠复合膜层(3)；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)表面涂覆有交叠复合膜层(3)。2.根据权利要求1所述的一种核电厂锆合金包壳管表面用抗高温水蒸气腐蚀涂层，其特征在于：所述粘结层(2)由金属和陶瓷材料组成，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表面用抗高温水蒸气腐蚀涂层，其特征在于：所述交叠复合膜层(3)由第一膜层(4)和第二膜层(5)相交叠复合而成，其中第一膜层(4)和第二膜层(5)成分可包括Zr、Cr、Nb、Ni、Ti、FeCrAl、FeCrSi、ZrAlCrSi、ZrCr2、ZrAl3、ZrSi2、ZrO2、ZrN、ZrC、CrSi2、CrO2、CrN、Cr3C2、Si、SiC、SiO2，且第一膜层(4)和第二膜层(5)由不同成分组成，第一膜层(4)和第二膜层(5)通过循环沉积的方式交叠往复，形...

【专利技术属性】
技术研发人员：李崇，崔严光，卢俊强，陆辉，陈小强，林基伟，
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：