[发明专利]一种多层结构的Fe-Cr-Al基防护涂层及其制备方法

说明书

本发明公开了一种多层结构的Fe‑Cr‑Al基防护涂层，包括由Fe‑Cr‑Al‑Me‑Si‑Y层和氮化物Cr‑Al‑Me‑Si‑N层组合而成的多层结构，Me为Mo、Ta、Ni、Nb中的一种或两种，Fe‑Cr‑Al‑Me‑Si‑Y层为致密的非晶结构或致密非晶中弥散分布纳米晶的两相结构，Cr‑Al‑Me‑Si‑N层为致密的非晶结构，该涂层更加显著延长了其耐高温水蒸气氧化的时间。本发明还公开了一种多层结构的Fe‑Cr‑Al基防护涂层的制备方法。该制备方法简单、高效。

技术领域

本发明属于合金涂层防护领域，具有涉及一种多层结构的Fe-Cr-Al基防护涂层及其制备方法。

背景技术

在碳中和的大背景下实现经济持续发展，离不开各种先进的清洁能源技术，核能在其中将发挥重要作用。核能的高安全是社会稳定和能源持续发展的重要基石，事故容错型燃料(ATF，Accident Tolerant Fuel)已经成为国际核能研发机构和工业界普遍致力的研发方向。从实际应用角度来看，锆合金具有耐辐照、低热中子吸收截面等优点，是目前主流轻水反应堆燃料的包壳材料。在核反应堆中，锆合金包壳管所处的工况条件非常恶劣，不仅需要承受高温、高压和强烈的中子辐照，还要求耐高硼水腐蚀、应力腐蚀等，随时间延长，力学性能发生变化，强度升高，延性降低、变脆，因此每隔12个月就要更换一次，属于高消耗品。而Fe-Cr-Al合金材料由于其在高温腐蚀环境中易生成致密的α-Al₂O₃和Cr₂O₃，表现出较强的抗氧化、抗腐蚀性和耐中子辐照性并且力学性能优良。通过在锆合金包壳管表面形成Fe-Cr-Al基涂层，可显著提高核电用包壳管的使用寿命，提高事故容错能力。

物理气相磁控溅射法制备涂层，由于其制备的涂层与基体结合力好、力学性能优异，是比较常用的一种涂层制备手段。但该种方法在制备Fe-Cr-Al基涂层时，一方面制备的涂层常为柱状晶结构，柱状晶之间的孔隙为氧的扩散提供了快速通道，制备的涂层抗氧化能力不佳。发明人在早期研究中CN111041436A公开了一种用于锆合金防护的Fe-Cr-Al-Y涂层及其制备方法和应用，该技术通过改善柱状晶的结构，如形成纤维柱状晶生长结构，相邻两个纤维柱状晶之间边界致密，来减少柱状晶之间的孔隙，使得涂层起到了较好的抗高温水蒸气氧化防护效果。在此基础上发明人又公开(CN 112853288 A)了一种用于Zr合金包壳管防护的涂层Fe_xCr_yAl_zMe_mSi_nY_p涂层，Me选自Mo、Nb、Ni中的一种或两种，并通过形成非晶结构或非晶中弥散分布纳米晶的两相结构，涂层呈非柱状晶生长，沿涂层生长方向无贯穿性空隙或裂纹，该发明其本质是主要是通过形成致密的非晶结构来减少腐蚀介质对Zr合金基体的腐蚀，从而使得涂层能够长时间具有较好的抗高温(1200℃)水蒸气氧化防护效果(可以耐10～12小时)。

但随着高温氧化时间的进一步延长(大于16小时)，我们发现Fe-Cr-Al基防护涂层中的保护性元素(如Cr、Al)的外扩散及环境中O的内扩散，涂层的结构开始崩塌，导致涂层防护能力大幅度减弱甚至发生失效。

因此，如何抑制保护性元素的外扩散和阻止境中O的内扩散，是进一步提高Fe-Cr-Al基防护涂层具有长时间抗高温氧化能力的关键，在Zr合金包壳管防护涂层的应用具有重要意义。

发明内容

本发明提供一种多层结构的Fe-Cr-Al基防护涂层，该涂层更加显著延长了其耐高温水蒸气氧化的时间。