[发明专利]一种纳米孪晶ZrN扩散屏蔽层及其制备方法

说明书

一种纳米孪晶ZrN扩散屏蔽层及其制备方法，纳米孪晶ZrN扩散屏蔽层包括锆合金基体表面设有的纳米孪晶ZrN扩散屏蔽层，纳米孪晶ZrN扩散屏蔽层外侧设有Cr金属涂层；制备方法是先对锆合金基体表面进行预处理，使得样品表面呈镜面且光洁；然后将预处理后的锆合金基体材料在氮气中进行表面激光喷丸处理，激光处理后样品在氮气中冷却，生成纳米孪晶ZrN扩散屏蔽层；最后在ZrN扩散屏蔽层外侧喷涂Cr金属涂层，最终得到锆合金基体外依次设有纳米孪晶ZrN扩散屏蔽层、Cr金属涂层；本发明扩散屏蔽效果好，制备温度低，制备成本低，制备效率高。

技术领域

本发明涉及锆合金表面铬金属涂层与锆合金基体结合技术领域，具体涉及一种纳米孪晶ZrN扩散屏蔽层及其制备方法。

背景技术

在核电站事故中，由于作为核电厂反应堆内燃料包壳的锆合金材料与事故环境中的水蒸气发生剧烈反应产生大量的氢气和热量，导致反应堆发生氢爆，对社会和环境造成严重影响。为了解决在事故工况下锆合金燃料包壳与水蒸气剧烈反应的问题，提出了事故容错燃料的概念，旨在提高反应堆燃料耐事故能力以及提高燃料在反应堆正常运行工况下的性能。在诸多事故容错燃料选型中，在锆合金表面喷涂保护性的Cr涂层由于低研发成本以及Cr涂层自身的优势如抗氧化腐蚀性能、良好的高温力学性能、耐辐照性能、低成本等，被广泛认为是最具有实现工业化应用前景的事故容错燃料类型。

然而，Cr涂层锆合金目前存在的最大的问题就是外侧Cr涂层与锆合金基体之间的元素互扩散行为。一方面，基体中的Zr会向Cr涂层中扩散，并在Cr涂层的晶界上生成具有氧扩散路径作用的ZrO₂晶粒，这些ZrO₂会加剧涂层的氧化；另一方面，涂层中的Cr会向锆合金基体中扩散，这些Cr在基体中会生成脆性的ZrCr₂相，严重影响锆合金基体的力学性能，并可能导致锆合金基体的力学失效。这种涂层-基体间的元素互扩散行为不仅会发生在事故工况下(温度高于1000℃)，而且在反应堆正常运行工况下(温度低于400℃)也会发生，并严重影响锆合金包壳管的力学性能。所以解决Cr涂层与锆合金基体之间的元素互扩散行为已经成为一个关键的问题，影响着Cr涂层锆合金的工业化应用进程。

针对这一问题，通过在Cr涂层及锆合金基体之间添加扩散屏蔽层来解决涂层与基体之间的元素互扩散问题。目前所用的扩散屏蔽层材料主要包括两种类型，即金属和陶瓷材料。其中金属扩散屏蔽层材料主要包含Mo和Ta等；陶瓷扩散屏蔽层材料主要包含Cr₂O₃、Y₂O₃、CrN、ZrN等。目前所报道的金属或陶瓷扩散屏蔽层的技术，扩散屏蔽效果均欠佳。现有的技术在Cr涂层和锆合金基体之间制备的金属扩散屏蔽层均不能有效抑制涂层与基体之间的元素互扩散行为，如Mo扩散屏蔽层，在高温下会与锆合金基体之间发生元素互扩散，影响扩散屏蔽层的结构完整性(Michau A,Ougier M,Maskrot H,et al.Interlayers forCr-coated nuclear fuel claddings[C].NuMat 2020-The Nuclear MaterialsConference,Seattle,USA,2020.)。现有公开的陶瓷扩散屏蔽层材料如CrN(Sidelev DV,Syrtanov MS,Ruchkin SE,et al.Protection of Zr alloyunder high-temperature airoxidation:a multilayer coating approach[J].Coatings,2021,11(2):227.)由于与外侧涂层及内侧基体间热膨胀系数差异较大，会导致扩散屏蔽层的结合性非常差，且易受到热应力的影响。