[发明专利]一种锆合金表面用事故容错核燃料包壳涂层

说明书

本发明公开了一种锆合金表面用事故容错核燃料包壳涂层，在锆合金的外表面设置有第一防护层，所述第一防护层的外表面设置有第二防护层，所述第二防护层的外表面设置有第三防护层，本发明涉及事故容错核燃料包壳涂层技术领域。该锆合金表面用事故容错核燃料包壳涂层通过叠层结构，复合多种涂层的优势，其中Cr涂层有效的提高涂层与锆合金基体的附着力，同时具有事故容错的防护能力；CrTiAlN涂层具有良好的耐高温氧化性，能够应对常态下的正常使用，以及高温工况；CrN涂层具有良好的耐腐蚀性，满足热水腐蚀工况下的长期服役，该叠层复合防护涂层能综合提高事故容错核燃料包壳的稳定性和安全性。

技术领域

本发明涉及事故容错核燃料包壳涂层技术领域，具体为一种锆合金表面用事故容错核燃料包壳涂层。

背景技术

核电是一种具有发电规模大，经济效益高，可持续发展的电力来源，现已被世界上许多国家所采用，核反应堆中包壳材料的研究一直以来是一个重点，目前应用最广泛的包壳材料是锆合金，因为其具有优异的耐腐蚀性能、良好的抗辐照生长特性以及适中的力学性能等，但是锆合金应用在反应堆中存在的一个最主要问题是在反应堆发生失水事故的情况下，锆管温度急剧上升，当温度大于1200℃时，锆管会与水蒸气发生剧烈反应，放出大量的氢气和热量，导致核电站爆炸，发生核泄漏，福岛核电站事故正是由于氢气爆炸所引起，因此在这一事件之后，研究者们提出了事故容错核燃料ATF这一概念，并受到国内外高度重视。

基于反应堆对于安全、可靠性的需求，新型燃料棒包壳材料必须具备抗高温水蒸气氧化、耐热水腐蚀和耐辐照损伤等诸多性能，除了寻找替代锆合金的新包壳块体材料，例如碳化硅和铁铬铝合金等，开发锆合金包壳管表面用防护涂层及相应的涂覆技术，也是ATF的主流发展方向，该发展方向可以保留现有的核用系统和锆合金包壳加工制造系统，具备相对经济、研发周期短、可行性高等优势。

目前，铬Cr基金属和MAX相陶瓷是目前核用锆合金表面防护涂层的主流材料体系，其中，金属Cr由于其熔点高、耐高温氧化性好、热膨胀系数与Zr相近，同时在氧化过程中会形成致密的Cr₂O₃防护膜，因此含Cr涂层被广泛研究，但是，Cr金属涂层的抗高温水蒸气氧化、强度、耐磨性等方面还欠佳；致密、均匀的厚涂层不易制备；并且实际服役工况是复杂多变的，因此需要考虑多方面性能，通过在锆合金表面制备叠层复合涂层，充分发挥各个叠层涂层的优良性能，综合提高锆合金的日常服役能力以及事故容错能力。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种锆合金表面用事故容错核燃料包壳涂层，解决了事故容错核燃料包壳涂层综合防护性能欠缺的问题。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种锆合金表面用事故容错核燃料包壳防护涂层，所述防护涂层涂覆于锆合金的表面，并且防护涂层包括第一防护层，所述第一防护层的外表面设置有第二防护层，所述第二防护层的外表面设置有第三防护层，所述第一防护层、所述第二防护层和所述第三防护层共同形成一个所述叠层复合涂层涂覆在锆合金的表面，所述防护涂层的厚度为7μm，所述第一防护层、所述第二防护层和所述第三防护层之间的厚度比为2：2：3。

Cr涂层与锆合金具有良好的附着力，有效的提高叠层涂层的膜基结合力，同时具有良好的事故容错能力，CrTiAlN涂层具有良好的耐高温氧化性，能够应对常态下的正常使用，以及高温工况，CrN涂层具有良好的耐腐蚀性。

进一步地，所述锆合金的表面采用镜面抛光技术进行抛光处理，并且锆合金的表面粗糙度在6～9nm。

进一步地，所述第一防护层采用Cr涂层，通过磁控溅射技术均匀、致密的沉积在所述锆合金的表面。

与Zr-4合金相比，显示出优异的耐高温氧化性能。

进一步地，所述第一防护层的表面平整，涂层结构紧密，无完全贯穿性间隙，密度为4.2g/cm³。