[发明专利]锆合金基体表面碳化硅涂层材料的制备方法

说明书

技术领域

 本发明属于核反应堆材料制造技术领域，具体涉及锆合金基体表面碳化硅涂层材料的制备方法。

背景技术

锆合金包壳是压水堆（PWR）核电站燃料元件的核心结构材料之一，引起核反应堆燃料包壳锆合金失效的主要原因是包壳管表面氧化腐蚀和氢化锆析出脆化，而中子辐照、温度、一回路冷却水中微量的H₃BO₃和LiOH等更进一步加速了锆合金的失效。随着核反应堆燃料燃耗的加深，燃料元件的换料周期不断延长，对锆合金包壳的各种性能提出了更高要求。

碳化硅（SiC）具有非常高的热导率（纯净无孔的碳化硅热导率与铝相当），这有希望降低运行燃料温度、提高安全性；SiC熔点很高，大约2973k；具有很好的化学稳定性和高温抗氧化性；此外，碳化硅没有不可接受的相结构变化，具有低中子吸收率特性，这使其成为核反应堆中锆合金基体表面抗氧化涂层的高新材料。

目前，利用裂解聚碳硅烷（PCS）制备SiC的方法是一个研究热点。但利用裂解PCS制备的SiC通常含有较多的游离碳，对SiC的高温抗氧化性能不利，为此人们通过改变PCS的成分及结构、在真空中裂解和在氢气中裂解等手段消除游离碳。改变PCS的成分及结构工艺比较复杂；在真空或者氢气气氛中裂解虽可消除游离碳，但也会降低陶瓷的产率；此外，已有的方法中裂解温度高于1200℃，易损伤金属基体，且不易在基体表面形成致密度好的碳化硅涂层。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种锆合金基体表面碳化硅涂层材料的制备方法，该方法工艺简单，反应温度≤1100℃，且采用该方法能在锆合金基体表面形成致密的SiC涂层。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：锆合金基体表面碳化硅涂层材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）对锆合金基体进行表面净化处理； 

（2）将原料聚碳硅烷研磨，得到聚碳硅烷粉末；

（3）将步骤（2）得到的聚碳硅烷粉末溶于溶剂CCl₄中，配制10～30wt% 聚碳硅烷的CCl₄溶液；

（4）在锆合金基体表面浸涂步骤（3）得到的聚碳硅烷的CCl₄溶液，晾干，使锆合金基体表面附着聚碳硅烷涂层；

（5）将步骤（4）得到的涂有聚碳硅烷涂层的锆合金基体放入真空炉，升温至800～1100℃，保温2～4小时，使聚碳硅烷发生裂解反应，之后随炉冷却至室温；

（6）取出步骤（5）中冷却后的锆合金基体，重复步骤（4）、（5），至锆合金基体表面生成的SiC涂层厚度符合使用要求；

（7）将步骤（6）得到的表面生成SiC涂层的锆合金基体进行预氧化处理，预氧化温度600～800℃，保温0.5～3h。

进一步，步骤（1）中对锆合金基体进行的表面处理包括依次进行的打磨，酸洗，醇洗和干燥。打磨时，可先后用200号、600号、1000号砂纸打磨处理，打磨后用CCl₄清洗3次。

进一步，步骤（2）中，原料聚碳硅烷的分子量为1400～3000，研磨后过100目筛得到聚碳硅烷粉末。

进一步，步骤（3）中，在40～80℃水浴条件下配制聚碳硅烷的CCl₄溶液，必要时搅拌。

进一步，步骤（4）中，采用提拉浸涂法在锆合金基体表面浸涂聚碳硅烷的CCl₄溶液。

进一步，步骤（5）中，锆合金基体放入真空炉内生裂解反应时，真空炉升温至900～1000℃，保温2小时。

再进一步，真空烧结炉升温时，控制升温速度为1～4℃/min。

进一步，维持真空炉中真空度为(1～9)×10^-2Pa。

进一步，步骤（6）中，重复步骤（4）和（5），使锆合金基体表面生成的SiC涂层的厚度为8～20μm。

进一步，步骤（7）中，预氧化处理在空气中进行，并在600～800℃范围内不同温度下分别进行。

本发明将含PCS的溶液在锆合金表面进行浸涂，在≤1100℃的条件下进行低温裂解反应，并通过多次浸涂、裂解，可以制备得到与锆合金基体结合强度较高的SiC涂层，SiC涂层经氧化后生成致密SiO₂，能有效阻止氧的扩散，从而达到保护锆合金基体的目的；此外，制备方法与所需设备均相对简单，可以有效降低成本，经济性较好。

附图说明