[发明专利]锆合金表面氮化与离子镀复合涂层及其制备方法

说明书

本发明公开了锆合金表面氮化与离子镀复合涂层制备技术，制备锆合金表面氮化与离子镀复合涂层的方法包括：(1)将锆基材进行表面预处理；(2)将步骤(1)所得锆基材进行软氮化处理；(3)在步骤(2)所得锆基材的表面形成Cr过渡涂层；(4)在所述Cr过渡涂层的表面形成TiAlSiN工作涂层，以便得到所述复合涂层。该方法通过在锆合金表面进行软氮化处理并形成Cr过渡涂层及TiAlSiN工作涂层的复合涂层，可显著提高锆合金的高温抗氧化性能和膜基结合力。

技术领域

本发明涉及材料科学领域，具体而言，本发明涉及锆合金表面氮化与离子镀复合涂层及其制备方法。

背景技术

锆合金因具有良好的综合性能，被广泛应用于核反应堆材料。在所有的堆芯结构材料中，核燃料包壳管的工作条件最为苛刻，核燃料包壳管处在核反应堆核能裂变反应，核能转换成热能的释放部位，同时它是防止反应堆放射性裂变产物向外逸出的首道屏障，需经受高温、氧化、腐蚀、冲刷、辐射环境的考验。在腐蚀反应和辐射作用下产生的氢以及燃料元件料包壳中存在的氢可能导致核燃料包壳管吸氢致脆，严重影响堆心的安全性。正常工况条件下核燃料包壳管表面热点设计温度超过600℃，在失水事故下核燃料包壳管表面温度将会进一步提高至1000～1200℃，当其与水蒸气反应时会放出大量的热加速燃料元件的失效。

然而，现有的锆合金材料仍无法胜任严苛的工况要求。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一，延长锆合金的使用寿命。为此，本发明的一个目的在于提出锆合金表面氮化与离子镀复合涂层的方法。该方法通过在锆合金表面进行软氮化处理并形成Cr过渡涂层及TiAlSiN工作涂层的复合涂层，可显著提高锆合金的高温抗氧化性能和膜基结合力。

在本发明的第一方面，本发明提出了一种制备锆合金表面氮化与离子镀复合涂层的方法，其特征在于，包括：(1)将锆基材进行表面预处理；(2)将步骤(1)所得锆基材进行软氮化处理；(3)在步骤(2)所得锆基材的表面形成Cr过渡涂层；(4)在所述Cr过渡涂层的表面形成TiAlSiN工作涂层，以便得到所述锆合金表面氮化与离子镀复合涂层。

根据本发明实施例的锆合金表面氮化与离子镀复合涂层的方法，通过在经过表面预处理的锆基材进行软氮化处理，可提高基材表面的硬度，缩小基材与涂层之间的硬度差值，从而减小残余应力的存在，提高膜基结合力；进而在锆基材表面依次形成Cr过渡涂层和TiAlSiN工作涂层，相对于现有技术直接在基材表面形成工作涂层的工艺，本发明通过在经过氮化处理和锆基材与TiAlSiN工作涂层之间设置高硬度的Cr过渡涂层，可以使材料形成由锆基材至Cr过渡涂层、TiAlSiN工作涂层硬度逐渐增强且梯度变化的硬度分布趋势，从而提高TiAlSiN工作涂层的膜基结合力和高温抗氧化能力。由此，将采用本发明方法用于制备核反应堆的核燃料包壳管表面，可显著提高包壳管的强度和抗氧化能力，降低反应堆失水事故下锆合金包壳管的高温氧化速率，改善反应堆的安全裕量。

另外，根据本发明上述实施例的制备锆合金表面氮化与离子镀复合涂层的方法还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，步骤(1)中，所述锆基材为Zr4合金。

在本发明的一些实施例中，步骤(1)中，所述表面预处理包括：砂纸打磨、抛光、超声波清洗。

在本发明的一些实施例中，步骤(2)中，所述软氮化处理的条件包括：处理温度520～600℃，处理时间为30～3600min，氨气流量为100～8000L/min，甲醇滴加量为0.5～13mL/min，冷却介质为防锈水。

在本发明的一些实施例中，步骤(3)中，通过多弧离子镀工艺在所述锆基材的表面形成Cr过渡涂层，所述多弧离子镀工艺的工艺参数包括：偏压为-200～0V，电流为30～95A，气压为1～2Pa，温度为室温至400℃。