[发明专利]一种FeCrAl/Cr复合涂层的制备方法

说明书

一种FeCrAl/Cr复合涂层的制备方法，依次包括Zr合金基体预处理、Cr涂层的制备和FeCrAl涂层的制备，所述Cr涂层的制备是采用电弧离子镀在预处理后的Zr合金基体表面沉积Cr涂层，沉积过程中调节偏压为‑150~‑200V，每隔1h，调节偏压至600~650V，保持3~5min，所述FeCrAl涂层的制备是采用电弧离子镀在Cr涂层表面沉积FeCrAl涂层，沉积过程中调节偏压为‑200~‑250V，每隔1h，调节偏压至400~600V，保持3~5min。本发明中通过PVD沉积的FeCrAl/Cr涂层克服了PVD方法带来的晶粒间间隙较大的技术问题，涂层均匀性好、致密度高，晶粒间间隙小，涂层厚度在20μm左右，就能达到优异的抗高温氧化性能，在1200℃下高温水蒸气氧化1h后，含氧增重为10.54mg/cm²，涂层表面结构完整，没有破损、裂纹甚至脱落，使用寿命长。

技术领域

本发明涉及事故容错复合涂层技术领域，具体涉及一种FeCrAl/Cr复合涂层的制备方法。

背景技术

锆合金由于具有良好的核性能和耐腐蚀性能，成为了核燃料包壳的首选材料，但是但在冷却剂丢失事故（LOCA，Lost of Coolant Accident）的严重事故工况下，锆合金包壳材料温度会快速升高至1000℃以上，并与高温水蒸气发生反应，产生大量氢气和热量，导致包壳性能劣化。当温度高于1200℃时，会造成堆芯熔毁，并增加氢气爆炸的风险，进而引起核泄漏。因而，有必要研发提高核燃料剥壳材料的抗高温氧化性能。

对于提高Zr合金的高温抗氧化性能的主要方法，是在合金表面沉积抗高温氧化的涂层。金属Cr涂层具有与金属Zr热膨胀系数相近、高温抗氧化性能好、热中子吸收截面低等优点，但是，单层金属Cr在高温水蒸气环境中形成的Cr₂O₃在高于1042℃时，会形成易挥发的氢氧化物，导致Cr涂层的抗氧化性降低甚至失效。FeCrAl涂层的高温抗氧化性能优异，其中的Al元素在＞900℃高温环境中被选择性氧化，形成致密的α-Al₂O₃，在1300℃水蒸气环境中依然能保护Zr合金基体免于被氧化，因此，在Zr合金基体上沉积Cr与FeCrAl的复合涂层，通过Cr抑制FeCrAl与Zr合金基体之间的扩散，可以有效提高抗高温氧化性。采用物理气相沉积（PVD）方法制备的复合涂层虽然具有制备稳点相对较低、涂层均匀、工艺稳定性好等特点，但所制备的复合涂层会形成连续的柱状晶结构，晶粒与晶粒之间会形成较大的间隙，在高温下涂层间的共晶结构会导致间隙增大，这些间隙会成为O(氧)扩散进Zr合金基体的快速通道，从而加速基体氧化，导致制备的FeCrAl/Cr复合涂层难以满足事故容错工况下对于锆合金包壳的要求。其次，复合涂层想要达到优异的抗高温氧化性能，对涂层厚度及涂层均匀性要求较高，如专利CN111826648A制备的FeCrAl/Cr复合涂层均匀性较差，限制了涂层的抗高温氧化性，同时会降低涂层之间的结合力，且要达到优异的抗高温氧化性能，总厚度需要达到100μm以上，但是涂层厚度的上升也会导致膜基结合力下降，且涂层厚度的上升还会降低核燃料组件中子经济性。

发明内容

本发明目的在于提供一种FeCrAl/Cr复合涂层的制备方法。该方法制备的FeCrAl/Cr复合涂层间结合力优异，与基体结合力较好，涂层在较薄厚度下具有优异的抗高温氧化性能。

本发明目的通过如下技术方案实现：

一种FeCrAl/Cr复合涂层的制备方法，其特征在于：依次包括Zr合金基体预处理、Cr涂层的制备和FeCrAl涂层的制备，所述Cr涂层的制备是采用电弧离子镀在预处理后的Zr合金基体表面沉积Cr涂层，沉积过程中调节偏压为-150~-200V，每隔1h，调节偏压至600~650V，保持3~5min，所述FeCrAl涂层的制备是采用电弧离子镀在Cr涂层表面沉积FeCrAl涂层，沉积过程中调节偏压为-200~-250V，每隔1h，调节偏压至400~600V，保持3~5min。