[发明专利]用于动态沉积以在锆合金包壳上形成渐变涂层的涂覆组合物

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2013年5月28日提交的题为"A Kinetically Applied Gradated Ti-Al-C Ceramic or Amorphous or Semi-Amorphous Stainless Steel With Nuclear Grade Zirconium Alloy Metal Structure"的美国临时专利申请序列号61/827792的优先权，并且通过引用并入本文。

背景技术

本发明涉及涂覆锆合金核燃料包壳以减少正常或事故条件下暴露于轻水核反应堆的包壳的氧化腐蚀的涂覆组合物和方法。

2.相关技术的说明

锆合金包壳暴露于在核反应堆中的高的温度和压力的水环境可导致包壳表面的腐蚀(氧化)，并可能最后导致金属脆化。金属的这种弱化可能不利地影响核燃料芯的性能、寿命和安全余量。在锆合金包壳表面上包含抗氧化涂层理论上可以保护锆合金基材免于反应堆环境。然而，存在与这种解决方案相关的问题。例如，实现涂层对锆合金基材的强粘附力是有问题的，这是由于固有地存在于锆合金包壳表面的顶部上的微细氧化层。图1示出了按照现有技术的涂覆锆合金包壳10。如图1所示，锆合金包壳10具有从基材10的直接氧化产生的氧化层12，和由于锆暴露于空气、水或其他氧化性介质而添加的另外氧化部分14。涂覆层16施加到氧化部分14。因此，当锆合金包壳10简单地涂覆有涂覆层16时，存在四个不同、单独的层。由于涂覆层16仅沉积在氧化层14的顶部上，因此当暴露于反应堆条件时，该过程通常在涂层中导致涂覆层16的剥离或剥落。此外，在操作过程中，通常在任何涂层中引入热和辐射诱导的应力，其可导致涂覆层16从锆 合金包壳10剥离。

构成包壳的锆合金材料由锆(Zr)与至多约2重量％的其它金属，如铌(Nb)、锡(Sn)、铁(Fe)、铬(Cr)及其混合物组成。例如Biancheria等人，Kapil和Lahoda(分别参见美国专利号3427222；5075075；和7139360)教导了这样的锆合金包壳管。这些燃料棒/包壳在每一端有一个端盖和保持装置例如金属弹簧以保持封闭的核燃料芯块堆就位。

涂覆核燃料包壳管的各种方法是本领域已知的。例如，Knight等人,Bryan等人,Van Swam,and Lahoda等人教导了这样的方法。(分别参见美国专利号6231969；5171520；6005906和7815964)。

此外，Mazzoccoli等(参见2012年11月7日提交的美国专利申请序列号13/670808)公开了用大量粘附性抗氧化材料涂覆锆合金包壳管的方法，对于Zr-Al-C陶瓷或Ti-Al-C陶瓷或铁基合金，NanoSteel或Zr-Al合金使用高速的热施加。具有与此方法相关的缺点，如在热循环期间涂层无力粘附于基底(base)锆合金。

因此，有必要在本领域中开发沉积组合物以在锆合金包壳上形成保护涂层的涂覆组合物和方法，使得该涂层充分粘附于包壳表面，并有效地减少或防止由于包壳的表面暴露于核反应堆冷却剂水造成的其氧化。

发明内容

在一个方面，通过将涂覆组合物沉积到轻水核反应堆的锆合金包壳的外表面上以形成至少部分粘附于所述外表面的涂层的方法来实现上述需要和目的。该方法包括提供所述锆合金包壳，其固有地具有至少部分形成在具有渐变组成的粘附涂层的外表面上的含氧化锆的层。所述渐变涂覆组合物包括第一组分和第二组分。第一组分选自锆、氧化锆及其混合物。第二组分选自Zr₂AlC陶瓷、Ti₂AlC陶瓷、Ti₃AlC₂陶瓷、Αl₂O₃、铝、硅化锆、无定形和半无定形合金不锈钢、以及Zr₂AlC陶瓷、Ti₂AlC陶瓷和Ti₃AlC₂陶瓷的混合物。该方法还包括将所述涂覆组合物动态沉积在包壳的外表面上以形成涂层。涂层具有从包壳的表 面朝向涂层的暴露外表面出现(emanat ing)的梯度，使得从包壳的外表面朝向该涂层的暴露外表面第一组分重量百分数减小，和从包壳外表面到涂层的暴露外表面第二组分的重量百分数增大，基于涂覆组合物的总重量计。