[发明专利]一种超临界水冷堆燃料包壳表面的Cr/CrAlN梯度涂层工艺

说明书

技术领域

本发明属于核反应堆结构材料的表面改性技术，具体是一种超临界水冷堆燃料包壳表面的Cr/CrAlN梯度涂层工艺。

背景技术

核电作为一种高效、经济与持久的能源，在解决全世界面临的能源危机、保护环境质量等方面优势显著。超临界水冷堆具有热效率高、结构简化、安全性好、经济性好等优点。超临界水冷堆燃料包壳材料研究是超临界水冷堆技术研发的关键之一，需要开发出在高温高压的超临界水和中子辐照耦合作用下具有优异性能的燃料包壳材料。目前，低肿胀奥氏体不锈钢如D9、1.4970、316Ti等是主要的超临界水冷堆燃料包壳材料，这些材料具有强度高、辐照肿胀低、焊接性好等优点。然而，上述材料在超临界水中的抗高温氧化腐蚀性能较差，在长期使用过程中，过大的氧化腐蚀速率势必影响燃料包壳的结构完整性。

在超临界水冷堆燃料包壳表面沉积抗高温腐蚀涂层，可有效地解决上述问题，这也成为了近年来学术界与工程界的研究热点。在研究初期，人们趋向于在包壳表面沉积Cr合金涂层，由于其与基材在界面可形成Fe-Cr化合物，实现化学冶金结合，因而具有很好的涂层/基材结合力。同时，含Cr金属涂层表面与腐蚀环境中的O能形成氧化物膜保护层，阻碍腐蚀介质的浸透，也具有较好的抗腐蚀性能。但是，合金涂层通常在强度、硬度等力学性能方面欠缺优势，强烈的热冲击可能导致涂层延性变形，过早失效。随后，诸多应用研究趋向于CrN、TiN及CrAlN等金属氮化物涂层。如2007年化学工业出版社出版的《硬质与超硬涂层-结构、性能、制备与表征》一书中描述了硬质涂层与超硬涂层的研究现状及涂层种类、制备方法、结构及性能等。相对于含Cr金属涂层，氮化物涂层在抗腐蚀性能、硬度、强度及抗热震性能等方面更具优势，且抗辐照性能更好。近年来，在CrN的基础上，添加Al形成的CrAlN涂层在抗氧化性能、硬度、冲击韧性等方面有了进一步的提升，如2009年《Oxidation resistance of TiN, CrN, TiAlN and CrAlN coatings deposited by lateral rotating cathode arc》第12卷517期，4945-4849页中介绍了TiN, CrN, TiAlN 与CrAlN等四种硬质涂层的抗高温氧化性能与硬度，并比较了它们之间的优缺点。由于Al能促进涂层表面致密氧化膜的形成，抗氧化温度可达700 ℃  以上，可满足超临界水冷堆燃料包壳的服役温度要求。尽管金属氮化物涂层具有优异抗腐蚀性能与力学性能，但将此类涂层应用于超临界水冷堆燃料包壳时均要面临一个共同的难题，即与钢基材的结合强度差的问题。由于氮化物涂层与金属基材的性质差异悬殊，往往使得在服役过程中涂层/基材界面极易发生失效，导致涂层剥落。基于此，诸多研究者通过调制涂层的组成结构来克服上述缺点。一则是通过添加中间过渡层形成复合涂层来改善界面结合强度。由于过渡层材料的物化性质介于涂层材料与基体钢之间，与两者均有良好的结合力，因而可显著提升界面结合性能；另则就是形成梯度涂层来促进涂层/基材的界面结合力。由于涂层成分的梯度变化导致涂层无亚层界面形成，同时涂层与基材为化学冶金结合，因而能极大提高界面结合强度。

针对超临界水冷堆包壳表面涂层，经查新，在超临界水冷堆燃料包壳表面沉积Cr/CrAlN梯度涂层的技术未见报导。

发明内容

本发明的目的在于提供一种与不锈钢基材结合力良好、抗高温氧化性能及力学性能优异、能有效提高超临界水冷堆燃料包壳的服役性能与使用寿命、实现超临界水冷堆燃料包壳表面涂层体结构与功能协调统一的超临界水冷堆燃料包壳表面Cr/CrAlN梯度涂层工艺。

本发明的技术方案如下：

一种超临界水冷堆燃料包壳表面的Cr/CrAlN梯度涂层工艺，其特征在于：具体工艺包括以下步骤：

（1）镀前处理：将超临界水冷堆燃料包壳选用的奥氏体不锈钢基材进行研磨抛光，然后将基材置于超声波容器中进行除油剂清洗、酸洗及去离子水漂洗后在真空干燥炉内烘干，再将烘干基材置于弧离子增强反应磁控溅射设备的真空炉中进行等离子体反溅清洗；

（2）Cr过渡层沉积：将真空炉抽真空，充入Ar气，调节磁控Cr靶的溅射功率、柱弧Cr靶的弧电流、沉积偏压和沉积温度，打开溅射设备的基片台挡板，在基材表面沉积Cr过渡层；