[发明专利]一种核电厂锆合金包壳管用耐磨损抗氧化复合涂层及其制备方法

说明书

本发明属于核燃料技术领域，具体公开了一种核电厂锆合金包壳管用耐磨损抗氧化复合涂层及其制备方法，包括锆合金包壳管基体、粘结层、耐腐蚀层和耐磨层；本发明外部中的耐磨层可采用多层膜层，并且多层膜层可采用CrN、Cr₃C₂、ZrO₂等材料实现表面硬度的提升，提高锆合金包壳管的耐磨性能，并采用金属Cr、Nb、Zr等缓冲热膨胀系数差异，减少应力集中，该材料在事故工况下和在高温水蒸气腐蚀环境中，可在最初防护阶段可形成Cr₂O₃致密氧化膜，减少高温蒸汽环境的影响，在内部粘结层可利用与锆合金匹配的热膨胀系数，避免在升降温过程中产生裂纹或涂层脱落，通过以上对涂层的结构与物相设计，使得涂层具有优异的耐磨损性能和优异的抗高温水蒸汽腐蚀性能。

技术领域

本发明涉及核燃料技术领域，具体为一种核电厂锆合金包壳管用耐磨损抗氧化复合涂层及其制备方法。

背景技术

轻水反应堆是核电站的主要堆型，采用棒状核燃料元件(以下简称“燃料棒”)。燃料棒由短圆柱状的UO₂燃料芯块、锆合金包壳、端塞、贮气腔压紧弹簧等构成，燃料芯块与包壳之间留有一定的间隙，燃料元件充填了惰性气体，如图1所示，图1中：1、端塞，2、锆合金包壳，3、压紧弹簧，4、短圆柱状的UO₂燃料芯块。

继2011年福岛核电站发生灾难之后，为了提高核电站的安全性以应对全厂断电事故，国际核燃料界提出了增强事故容耐受能力的抗事故燃料(Accident Tolerant Fuel)的概念。目前，在压水堆中使用锆-氧化铀系统作为核燃料，而在失水事故工况下，锆合金在1200℃下将与水蒸气发生如下反应：

Zr+2H₂O＝ZrO₂+2H₂

该反应所产生的氢气不断积聚，将产生氢爆，威胁反应堆安全。在锆合金包壳管表面制备涂层以隔绝失水事故下的水蒸气与锆合金的直接接触，从而减缓事故的发生，增强压水反应堆的安全性。

对于燃料棒锆合金包壳管，除了抗高温水蒸气腐蚀性能亟需提升外，在寿期末状态下锆合金格架，格架弹簧与燃料棒包壳管间将出现间隙，在冷却剂的冲刷作用下将导致燃料棒振动，格架与燃料棒包壳管之间出现碰撞、摩擦，产生包壳管的微动磨损，严重者将导致包壳管破裂，甚至出现核泄漏。因此，需要提高包壳管的耐磨性能，减少摩擦对包壳管的影响。

研究表明，含有Cr、Al、Si等元素的材料，如：金属Cr、FeCrAl合金、SiC陶瓷等，在高温水蒸气环境中常可形成Cr₂O₃、Al₂O₃、SiO₂等致密膜，该膜层可阻碍高温水蒸气向内侵蚀，从而使材料具有抗高温水蒸气腐蚀性能。因此可将该材料作为耐腐蚀涂层使用。