[发明专利]制造SiC复合陶瓷的工艺

说明书

一种用于制造陶瓷复合物结构的方法。该方法包括：围绕至少一个形体的外表面缠绕陶瓷复合物纤维(22)。该方法进一步包括将缠绕纤维(22)加热到不大于第一温度的温度，在第一温度下在第一容器(12)中用陶瓷复合物渗透缠绕纤维(22)中的空隙(24)，将渗透过的缠绕纤维从第一容器(12)转移到不同于第一容器(12)的第二容器(14)，以及在第二容器(14)中在高于第一温度的第二温度下用陶瓷复合物涂覆所述渗透过的缠绕纤维。

关于政府权利的声明

本发明是在能源部授予的合同号DE-NE0008222的政府支持下完成的。美国政府在本发明中享有一定权利。

发明背景

1.发明领域

本发明涉及SiC复合材料的制造，且更具体地涉及制造SiC复合物的燃料棒的方法。

2.现有技术的描述

在典型的核反应堆中，反应堆芯包括大量燃料组件，每个燃料组件是由容纳燃料裂变材料的多个细长燃料棒或类似元件构成。燃料棒被包封在包壳中，该包壳充当裂变材料的安全壳(containment)。示例性包壳材料包括例如锆合金和陶瓷复合材料。美国专利US3,427,222、US 5,075,075和US 7,139,360中公开了示例性的Zr合金。由于在事故中燃料棒在高温蒸汽环境中运行，因此包壳受到腐蚀力。作为补救措施，燃料棒包壳被涂覆以防止外部腐蚀。已显示含陶瓷的涂层材料具有期望的安全性能，例如碳化硅(SiC)。美国专利US 6,246,740、US 5,391,428、US 5,338,576、US 5,182,077以及美国专利申请公开2006/0039524,2007/0189952和2015/0078505中教导了实验陶瓷类型材料，例如SiC单块、纤维及它们的组合，通过引用将它们的相关部分并入本文。

SiC复合材料通常为如下形式：在芯轴或SiC管上的SiC纤维的缠绕物或编织物以形成燃料棒包壳。然后用SiC颗粒渗透该SiC纤维缠绕物或编织物以填充纤维之中和纤维之间的空隙，然后使用化学气相渗透(CVI)用SiC渗透。作为替代，可以仅使用低温条件组(例如CVI中的那些条件)进行渗透。在卷绕物的渗透之后，可以使用诸如化学气相沉积(CVD)的较高温度工艺涂覆渗透的纤维以形成阻挡涂层。为了避免过度操纵以及为了减少成本和制造时间，通常在单一容器或设备中顺序地进行CVI和CVD这两个过程。然而，已经发现，在温度从较低温度的CVI过程变为较高温度的CVD过程的时间期间，无定形材料沉积在SiC纤维之中和周围，这对于CVI过程或CVD过程都不是最佳的。

发明概述

通过本文所述的改良方法解决了在同一容器中执行CVI和CVD操作的常规方法所经历的问题。如本文更全面描述的，该方法将渗透过程和涂覆过程分离。在第一温度下在第一容器中进行渗透，以及在高于第一温度的第二温度下在第二容器中进行涂覆。

本文描述了一种用于制造陶瓷复合物结构的方法。各个方面的方法包括围绕至少一个形体的外表面缠绕陶瓷复合物纤维，例如通过编织或卷绕，缠绕的纤维限定出在缠绕纤维之间的空隙。该方法还包括将缠绕纤维加热到不大于第一温度的温度，在第一温度下在第一容器中用陶瓷复合物渗透缠绕纤维中的空隙，将渗透过的缠绕纤维从第一容器转移到不同于第一容器的第二容器，以及在第二容器中在高于第一温度的第二温度下用陶瓷复合物涂覆渗透的缠绕纤维。在各个方面，该方法可以进一步包括：在用陶瓷复合物渗透缠绕纤维中的空隙之前，在单独的容器中将界面涂层(例如碳或氮化硼)施加到加热的缠绕纤维。