一种用于燃料包壳表面的高抗性涂层及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种用于燃料包壳表面的高抗性涂层，包括靠近燃料包壳基体的(Ti/TiN)过渡层和外层的Cr涂层；本发明专利技术的涂层制备方法包括：一、基体前处理；二、等离子增强PVD设备抽真空；三、辉光离子和金属离子清洗；四、(Ti/TiN)过渡层沉积；五、Cr涂层沉积。本发明专利技术的涂层利用组织均匀致密的(Ti/TiN)过渡层作为基体与外层的Cr涂层的扩散阻挡层，阻挡了氧、氢元素向基体扩散，提高了高抗性涂层在蒸汽环境中的抗氧化性能，适用于燃料包壳材料；本发明专利技术采用电弧离子镀沉积并调控工艺参数形成具有多层复合结构、厚度均匀、内部缺陷少且致密性良好的高抗性涂层，改善了传统工艺制备涂层在高温下容易发生开裂问题。容易发生开裂问题。容易发生开裂问题。

【技术实现步骤摘要】
一种用于燃料包壳表面的高抗性涂层及其制备方法


[0001]本专利技术属于压水堆燃料包壳涂层
，具体涉及一种用于燃料包壳表面的高抗性涂层及其制备方法。

技术介绍

[0002]核能作为清洁能源推动社会的发展，能从根本上缓解能源短缺的问题。一直以来，核安全备受人类社会关注，核电站需要更加先进的核燃料系统。由于锆合金在失水事故条件下，锆会与水蒸气发生剧烈锆水反应，进而产生氢气且释放大量热量，可能会造成压力容器爆炸，最终导致放射性燃料泄漏。燃料包壳系统抗事故工况下的高温水蒸气氧化性能是保证核反应堆安全可靠运行的关键因素。因此，燃料包壳材料不仅能够在较长时间内抵抗反应堆冷却液损失事故条件，同时保证正常运行工况下的基本性能。
[0003]耐事故燃料涂层的提出被认为是提高锆合金包壳耐事故能力的有效途径之一。国内外科研人员研发出了多种不同类型的锆合金表面涂层，但考虑涂层在反应堆内的实际服役工况，因此在压水堆燃料包壳服役工况下具有良好抗腐蚀和抗高温蒸汽氧化性能、与锆合金基体之间兼容性好、良好的结合强度、制备工艺简单的材料成为耐事故燃料首选。在已有的锆合金包壳涂层的研究报道中，金属涂层中Cr涂层被认为是事故工况下抗氧化性最佳的，与基体Zr有着良好的兼容性，但是高温下Cr涂层容易与Zr基体形成Zr
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Cr共晶，导致熔点降低，且其耐磨性和抗氧化性较差。传统工艺制备的耐事故燃料涂层大多数会呈粗柱状晶结构生长，存在一定的晶间空隙，为氧的扩散提供了通道，在高温下容易发生开裂问题。
[0004]因此，针对现有Cr涂层结构和制备工艺的局限性，需要提供一种能够用于燃料包壳表面高抗性涂层及其制备方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种用于燃料包壳表面的高抗性涂层。该涂层利用组织结构均匀且致密的(Ti/TiN)过渡层作为燃料包壳基体与外层的Cr涂层之间的扩散阻挡层，有效阻挡了氧、氢元素由外部工况环境向内部基体的扩散，结合对涂层中各层厚度进行限定，提高了高抗性涂层在蒸汽环境中的抗氧化性能，适用于核用高温高压且具有腐蚀性的工况条件下的燃料包壳材料。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种用于燃料包壳表面的高抗性涂层，其特征在于，包括靠近燃料包壳基体的(Ti/TiN)过渡层和外层的Cr涂层，且(Ti/TiN)过渡层的厚度为1μm～1.5μm，Cr涂层的厚度为4μm～5μm。
[0007]本专利技术具有高抗氧化性的高抗性涂层为Cr/(Ti/TiN)多层复合涂层，包括靠近燃料包壳基体(通常为锆合金基体)的(Ti/TiN)过渡层和外层的Cr涂层，利用组织结构均匀且致密的(Ti/TiN)过渡层作为燃料包壳基体与外层的Cr涂层之间的扩散阻挡层，有效阻挡了氧、氢元素由外部工况环境向内部基体的扩散，降低了燃料包壳基体被氧化的风险。同时，本专利技术在锆合金表面制备高抗性涂层时考虑中子经济性的原因，对涂层的厚度进行限定，
通常该具有多层复合结构的高抗性涂层厚度小于10μm，且在燃料包壳基体与Cr涂层之间设置厚度为1μm～1.5μm的(Ti/TiN)过渡层，不仅降低了外层的Cr涂层厚度，还提高了高抗性涂层在蒸汽环境中的抗氧化性能。
[0008]上述的一种用于燃料包壳表面的高抗性涂层，其特征在于，所述(Ti/TiN)过渡层为非晶态，由Ti层和TiN层交替组成，且Ti层的厚度为0.6μm～0.8μm，TiN层的厚度为0.4μm～0.7μm。由于Ti有着良好的耐高温和抗腐蚀能力，且TiN的结合强度高，在高温环境下具有出色的抗氧化性和抗热冲击性能，因此Ti层与TiN层复合层即(Ti/TiN)过渡层能够对Cr涂层缓解锆合金高温蒸汽氧化起到协同作用，同时通过在燃料包壳基体(通常为锆合金基体)与Cr涂层之间设置(Ti/TiN)过渡层作为扩散阻挡层，直接限制或延缓在高温蒸汽条件下Cr和Zr的互扩散，从而有效保护燃料包壳基体不被氧化。
[0009]另外，本专利技术还公开了一种制备如上述的用于燃料包壳表面的高抗性涂层的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
[0010]步骤一、基体前处理：将锆合金片依次进行酸洗、80℃去离子水冲洗和超声波清洗，得到前处理后的锆合金片基体；
[0011]步骤二、等离子增强PVD设备抽真空：将步骤一中得到的前处理后的锆合金片基体置于等离子增强PVD设备的真空室内，并抽真空至真空度达到5
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‑2Pa以下，然后开启加热系统，将锆合金片基体加热至220℃～300℃；
[0012]步骤三、离子源清洗：打开等离子增强PVD设备的气体流量计向真空室内通入Ar气调节真空度至1Pa～3Pa，然后开启偏压电源并设置偏压为800V～1200V，对步骤二中加热后的锆合金片基体进行辉光离子清洗，待辉光离子清洗完成后降低Ar气流量调节真空度至0.1Pa～0.3Pa，降低偏压至600V～800V，再开启电弧或磁控靶源，对辉光离子清洗后的锆合金片基体进行金属离子清洗；
[0013]步骤四、(Ti/TiN)过渡层沉积：采用电弧离子镀，以质量纯度99.99％以上的Ti靶为阴极，在步骤三中经金属离子清洗后的锆合金片基体表面沉积Ti预镀层，采用的靶电流为60A～100A，偏压为260V～350V，沉积时间为0.5min～1.5min，然后调节沉积Ti预镀层的锆合金片基体与Ti靶的距离为15cm～20cm，通入Ar气调节沉积压强为0.5Pa～2Pa，并通入N2，在Ti预镀层表面交替沉积Ti层和TiN层，得到具有(Ti/TiN)过渡层的锆合金片基体；所述Ti层的沉积时间为1min～3min，TiN层的沉积时间为8min～10min；
[0014]步骤五、Cr涂层沉积：采用电弧离子镀在步骤四中得到的具有(Ti/TiN)过渡层的锆合金片基体上沉积外层Cr涂层，在锆合金片基体表面形成高抗性涂层。
[0015]本专利技术先对锆合金片基体进行包括酸洗、80℃去离子水冲洗和超声波清洗的前处理，利用酸洗去除锆合金片基体表面吸附的杂质，经80℃去离子水冲洗去除表面的残酸，通常采用流动的去离子水对锆合金片基体表面边擦拭边冲洗，再对锆合金片基体进行超声清洗并脱水，以深度清洗锆片，提高了锆合金片基体表面的洁净度；然后将前处理后的锆合金片基体置于等离子增强PVD设备的真空室内抽真空，并依次进行辉光离子清洗和金属离子清洗，即先利用两个电极间低压辉光放电产生的离子轰击来去除锆合金片基体表面的污染物，再利用金属离子清洗提高涂层的结合强度；再采用电弧离子镀在锆合金片基体表面沉积Ti预镀层，以增加(Ti/TiN)过渡层与锆合金片基体的结合强度，并继续依次交沉积Ti层和沉积TiN层，得到具有(Ti/TiN)过渡层的锆合金片基体，再沉积外层Cr涂层，在锆合金片
基体表面形成高抗性涂层。
[0016]与现有技术相比，本专利技术涂层制备工艺简单，并且能够准确控制工艺参数尤其是靶材的溅射功率，制备的Cr涂层和Ti/TiN过渡层厚度均匀、内部缺陷少且致本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于燃料包壳表面的高抗性涂层，其特征在于，包括靠近燃料包壳基体的(Ti/TiN)过渡层和外层的Cr涂层，且(Ti/TiN)过渡层的厚度为1μm～1.5μm，Cr涂层的厚度为4μm～5μm。2.根据权利要求1所述的一种用于燃料包壳表面的高抗性涂层，其特征在于，所述(Ti/TiN)过渡层为非晶态，由Ti层和TiN层交替组成，且Ti层的厚度为0.6μm～0.8μm，TiN层的厚度为0.4μm～0.7μm。3.一种制备如权利要求1或2所述的用于燃料包壳表面的高抗性涂层的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、基体前处理：将锆合金片依次进行酸洗、80℃去离子水冲洗和超声波清洗，得到前处理后的锆合金片基体；步骤二、等离子增强PVD设备抽真空：将步骤一中得到的前处理后的锆合金片基体置于等离子增强PVD设备的真空室内，并抽真空至真空度达到5
×
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‑2Pa以下，然后开启加热系统，将锆合金片基体加热至220℃～300℃；步骤三、离子源清洗：打开等离子增强PVD设备的气体流量计向真空室内通入Ar气调节真空度至1Pa～3Pa，然后开启偏压电源并设置偏压为800V～1200V，对步骤二中加热后的锆合金片基体进行辉光离子清洗，待辉光离子清洗完成后降低Ar气流量调节真空度至0.1Pa～0.3Pa，降低偏压至600V～800V，再开启电弧或磁控靶源，对辉光离子清洗后的锆合金片基体进行金属离子清洗；步骤四、(Ti/TiN)过渡层沉积：采用电弧离子镀，以质量纯度99.99％以上的Ti靶为阴极，在步骤三中经金属离子清洗后的锆合金片基体表面沉积Ti预镀层，采用的靶电流为60A...

【专利技术属性】
技术研发人员：王赟，王少鹏，王彦峰，耿娟娟，张长伟，
申请(专利权)人：西北有色金属研究院，
类型：发明
国别省市：