[发明专利]微弧氧化电解液和反应堆锆合金表面涂层的制备方法

说明书

本发明公开了一种微弧氧化电解液和反应堆锆合金表面涂层的制备方法，微弧氧化电解液包括溶剂和电解质，其中：溶剂的电导率为0～5μs/cm；电解质包括氢氧化锂和/或硼酸锂，氢氧化锂的浓度为3～10g/L，硼酸锂的浓度为3～10g/L；一种反应堆锆合金表面涂层的制备方法，包括：对反应堆锆合金表面进行预处理，使得反应堆锆合金表面的粗糙度Ra0.5μm；将锆合金作为阳极，不锈钢槽作为阴极，微弧氧化电解液作为电解液，对反应堆锆合金表面进行微弧氧化处理10～30min，在反应堆锆合金表面得到涂层；制备得到的涂层不仅不含有外加元素而且致密性良好，制备方法达到缩短了时间，具有良好的商业价值。

技术领域

本发明涉及金属材料表面能处理技术领域，具体涉及一种微弧氧化电解液和反应堆锆合金表面涂层的制备方法。

背景技术

核燃料元件一般由芯体和包壳组成。其中，核燃料元件包壳锆合金作为核燃料元件的关键核心材料之一，长期处于强辐射、高温、高流速甚至高压的环境中，反应堆的先进性、安全可靠性和经济性与所用包壳材料的性能密切相关。随着反应堆技术朝着提高燃料燃耗和降低燃料循环成本、提高反应堆热效率、安全可靠性的方向发展，对关键核心部件燃料元件包壳材料锆合金的性能提出了更高的要求，包括磨损性能、腐蚀性能、吸氢性能、力学性能及辐照尺寸稳定性等。微弧氧化锆合金氧化涂层的物相组成和转变在改善锆合金耐蚀性方面起着重要作用，通过微弧等离子体放电在锆合金基体原位生成的氧化涂层具有较高硬度与耐磨损特性，并可以延缓疖状腐蚀的发生，且具有良好耐热冲击性能，同时生成的氧化陶瓷涂层也具有降低吸氢作用，是一种提升锆合金表面性能的有效手段。

依据锆合金包壳在核电站一回路的水化学和服役特点，锆合金包壳氧化涂层应尽可能不引入与核电站一回路水环境(硼锂水化学环境)及锆合金材料本身以外的元素，避免杂质活化或锆合金本身材料性能影响。然而现阶段，针对锆合金微弧氧化处理研究，基本上都是采用传统的硅酸钠(Na₂SiO₃)、铝酸钠(NaAlO₂)、磷酸钠(Na₃PO₄)以及氢氧化钠(NaOH)电解液配方体系，尽管采用一系列优化工艺能够在锆合金表面形成耐磨损、耐腐蚀的氧化锆陶瓷涂层，但传统的电解液元素成分如硅酸根、铝酸根或磷酸根会进入涂层，引入外加元素，不符合锆合金包壳氧化涂层应尽可能不引入与核电站一回路水环境(硼锂水化学环境)及锆合金材料本身以外的元素的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微弧氧化电解液和反应堆锆合金表面涂层的制备方法，以解决传统的电解液元素成分会进入涂层，造成引入外加元素，可能造成对杂质对涂层性能特性的影响或对锆合金材料本身性能的影响的问题，本发明采用氢氧化锂和/或硼酸锂作为电解质，不仅具有现有涂层具有良好的致密性，而且制备得到的涂层中不含与核电站一回路及锆合金材料本身以外的元素，从而避免了杂质活化或对锆合金材料本身性能的影响。

第一方面，本发明提供一种微弧氧化电解液，包括溶剂和电解质，其中：所述溶剂的电导率为0～5μs/cm；所述电解质包括氢氧化锂和/或硼酸锂，所述氢氧化锂的浓度为3～10g/L，所述硼酸锂的浓度为3～10g/L。

采用上述技术方案，首先，电解质采用氢氧化锂和硼酸锂，与核电站一回路水环境(硼锂水化学环境)及锆合金材料中所含有的元素相匹配，因此不会在涂层中引入额外的元素，避免了杂质活化或对锆合金材料本身性能的影响；其次，采用上述微弧氧化电解液得到的涂层具有良好的致密性。

作为一种可能的优选方式，所述溶剂的电导率为0.5～3μs/cm；优选地，所述溶剂为纯水。

第二方面，一种反应堆锆合金表面涂层的制备方法，包括：

对反应堆锆合金表面进行预处理，使得反应堆锆合金表面的粗糙度Ra0.5μm；将锆合金作为阳极，不锈钢槽作为阴极，上述微弧氧化电解液作为电解液，对所述反应堆锆合金表面进行微弧氧化处理10～30min，在所述反应堆锆合金表面得到涂层。