[发明专利]多元合金涂层、锆合金包壳及燃料组件

说明书

本发明公开了一种多元合金涂层、锆合金包壳及燃料组件，多元合金涂层包括以下质量百分比的元素：Cr 65％‑90％、Al 3％‑13％、N 0.5％‑8％、Fe 5％‑20％、Zr 1.5％‑12％。本发明的多元合金涂层，可应用在锆合金包壳上，有效解决涂层与基体热膨胀不匹配的问题，降低热应力，进一步提升了常规Cr涂层的硬度和耐磨性能，通过多元素成分的调控，强化了抗氧化性能，实现涂层在1200℃高温蒸汽环境下的抗氧化保护效果。

技术领域

本发明涉及核燃料技术领域，尤其涉及一种多元合金涂层、锆合金包壳及燃料组件。

背景技术

锆合金在高温条件下，易发生产热、产氢反应，为核反应堆带来了极大的安全隐患。目前，主要有两条途径来提高锆合金的表面性能，进而大幅提升核燃料堆的安全性能：(1)表面涂层技术，通过电镀、化学镀、热喷涂、冷喷涂、气相沉积等技术在锆合金表面覆盖一层异质膜，通过异质膜与基体的紧密结合，可明显提高锆合金在高温水蒸汽条件下的耐腐蚀性能；(2)表面改性技术，通过表面热处理、化学热处理、激光表面处理、离子注入等方式来改变锆合金表面的形貌、化学成分、相组成、微观结构、缺陷状态或应力状态，从而提高其表面性能。

目前的锆合金包壳主要焦点在腐蚀、吸氢、耐磨等方面，其中含Cr涂层受到广泛关注，但通常情况下涂层与锆合金基体的界面热膨胀系数差异大问题，导致在热冲击下涂层与锆合金基体产生热应力，降低涂层结合力。常规的金属涂层普遍存在硬度和磨蚀性能较低的问题，且在高温下涂层与锆合金基体易于发生共晶反应；Cr涂层虽然有较好的抗高温蒸汽氧化性能，但抗氧化性能仍有进一步提升的空间。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种具有优异的抗高温氧化性能和耐磨性能的多元合金涂层及具有该涂层的锆合金包壳、燃料组件。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种多元合金涂层，包括以下质量百分比的元素：Cr 65％-90％、Al 3％-13％、N 0.5％-8％、Fe 5％-20％、Zr 1.5％-12％。

优选地，所述多元合金涂层的致密度为95％-100％，孔隙率≤5％。

优选地，所述多元合金涂层中，Cr和Zr形成固溶体，且在所述固溶体中，Cr和Zr的原子比为64:36-69:31。

本发明还提供一种锆合金包壳，包括锆合金基体、设置在所述锆合金基体表面的多元合金涂层；所述多元合金涂层包括以下质量百分比的元素：Cr65％-90％、Al 3％-13％、N 0.5％-8％、Fe 5％-20％、Zr 1.5％-12％。

优选地，所述多元合金涂层的致密度为95-100％，孔隙率≤5％。

优选地，所述多元合金涂层中，Cr和Zr形成固溶体，且在所述固溶体中，Cr和Zr的原子比为64:36-69:31。

优选地，所述多元合金涂层的厚度为1-100微米。

优选地，所述多元合金涂层的厚度为1-20微米。

优选地，所述多元合金涂层采用物理气相沉积、溅射、脉冲激光沉积、热喷涂、等离子喷涂、丝弧涂覆、化学气相沉积、电镀、电泳沉积、无电涂覆或原子层沉积方法形成在所述锆合金基体的表面。

本发明还提供一种燃料组件，包括燃料棒，所述燃料棒包括以上任一项所述的锆合金包壳。

本发明的多元合金涂层，可应用在锆合金包壳上，有效解决涂层与基体热膨胀不匹配的问题，降低热应力，进一步提升了常规Cr涂层的硬度和耐磨性能，通过多元素成分的调控，强化了抗氧化性能，实现涂层在1200℃高温蒸汽环境下的抗氧化保护效果。

具体实施方式

本发明的锆合金包壳，作为核燃料包壳，其包括锆合金基体、设置在锆合金基体表面的多元合金涂层。