[发明专利]用于包壳基体抗高温氧化涂层以及制备工艺

说明书

本发明公开了一种用于包壳基体抗高温氧化涂层及其制备工艺，该抗高温氧化涂层包括多层金属涂层，多层金属涂层包括依次设置于包壳基体的金属Mo涂层、金属Al涂层以及金属Cr涂层，提高了包壳材料的防护效果以及包壳材料的自适应防护能力。

技术领域

本申请涉及热腐蚀防护技术领域，更具体地说，它涉及一种用于包壳基体抗高温氧化涂层以及制备工艺。

背景技术

在压水堆核电站中，锆合金包壳材料负责包裹核燃料并将核裂变产生的热量传导到一回路冷却水中，是核安全的第一道屏障。在反应堆正常运行时，包壳材料要承受一回路中高温高压水的腐蚀。在发生失水事故时，包壳材料的温度会在短时间内升至1000℃以上，此时锆合金会与环境中的水蒸气发生剧烈反应，生成氢气，一旦处理不当将会引发氢气爆炸，进而引发核泄漏等严重后果。近年来，特别是日本福岛核电事故之后，可以抗高温水蒸气氧化的耐事故包壳材料成为了研究热点。

目前，耐事故包壳材料的设计思路主要有三种：一是继续调整锆合金中合金元素的成分以及比例来提高包壳耐事故能力，二是开发新一代的FeCrAl、SiC、Mo基合金等包壳材料，三是在锆合金表面沉积耐高温氧化涂层来提高包壳的耐事故能力。在以上三种设计思路中，在锆合金表面沉积耐高温氧化涂层的方法不用改变现有反应堆的结构，成本及研发周期可控，既可以在事故条件下提高包壳耐事故能力，又可以在正常运行条件下延长包壳使用寿命，具有很好的应用前景。

目前在研的耐事故涂层中，MAX相涂层以及Cr涂层是研究的热点。MAX相涂层中的Al元素在高温水蒸气中能够形成致密氧化铝膜，具有极高的耐事故能力，但是Al元素在正常工况下的高温高压水中容易被腐蚀溶解。单层金属Cr涂层在高温高压水中具有很好的耐腐蚀性能，但在温度高于1200℃的水蒸气中，会形成易挥发的氢氧化物，降低耐事故能力。Cr元素与Al组成的单层复合结构由于高温高压下的Al元素容易被溶解，使得不能根据工况环境的变化自动调整自身组分，对包壳基体的防护效果欠佳。

发明内容

为了提高包壳材料的防护效果以及包壳材料的自适应防护能力，本申请提供一种用于包壳基体抗高温氧化涂层。

一种用于包壳基体抗高温氧化涂层，包括多层金属涂层，多层所述金属涂层包括依次设置于包壳基体的金属Mo涂层、金属Al涂层以及金属Cr涂层。

通过采用上述技术方案，包壳基体最内侧的金属Mo涂层作为扩散阻挡层，通过高的热温稳定性能够有效阻挡Al涂层与包壳基体之间的相互扩散，防止Al元素在高温下向基体内部扩散；中间的金属Al涂层为抗氧化层，通过Al元素在高温下生成致密Al₂O₃膜提高涂层的抗高温水蒸气氧化性能；最外层的金属Cr涂层为耐腐蚀层，利用Cr涂层在高温高压水中的耐腐蚀性，在正常运行时能够有效提高包壳基体的使用寿命。

优选的，所述包壳基体为锆合金材质。

通过采用上述技术方案，锆合金材质具有低的中子吸收截面，具有良好的抗辐照损伤能力，在慢中子辐照下不产生强的长寿命核素；具有良好的抗腐蚀性能、良好的强度、塑性以及蠕变性能。

优选的，所述金属Mo涂层的厚度为1-3μm，所述金属Al涂层的厚度为1-5μm，所述金属Cr涂层的厚度在5-10μm。

通过采用上述技术方案，当金属Mo涂层的厚度为1-3μm，金属Al涂层的厚度为1-5μm，金属Cr涂层的厚度在5-10μm时，包壳材料的防护效果以及包壳材料的自适应防护能力较佳。

优选的，所述金属Mo涂层的厚度为3μm，所述金属Al涂层的厚度为5μm，所述金属Cr涂层的厚度在10μm。

通过采用上述技术方案，当金属Mo涂层的厚度为3μm，金属Al涂层的厚度为5μm，金属Cr涂层的厚度在10μm时，包壳材料的防护效果以及包壳材料的自适应防护能力最佳