[发明专利]一种以Zr为基底的Cr-Me多层膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种以Zr为基底的Cr‑Me多层膜及其制备方法，使用Zr‑4合金(Sn：1.20‑1.70，Fe：0.18‑0.24，Cr：0.07‑0.13，Ni：0.03‑0.08)作为基底，利用磁控溅射法在Zr表面镀覆Cr‑Me多层膜，属于物理气相沉积镀覆领域。其中，Cr‑Me(Zr、Al、Mg、Nb)多层膜的调制比从1：(0.1‑10)；制备得到的以Zr为基底的Cr‑Me多层膜，其总层数从2到100层；厚度0.5μm到50μm。其镀覆的Cr‑Me多层防护膜可有效改善锆合金管材的耐高温水蒸气腐蚀和氧化性能，提高了锆合金压力管的使用寿命，减少核泄漏事故，进一步提升了核工业的经济效益和安全保障。

技术领域

本发明属于核用锆合金管包壳材料改性领域，具体涉及一种以Zr为基底的Cr-Me多层膜及其制备方法

背景技术

当前世界对于清洁能源的需求越来越大，而核电具有绿色环保、产能巨大的优势，同时作为高辐射的工业，其安全问题不容小视。锆合金由于其低热中子吸收性、低膨胀系数、高导热能力而被广泛用于核电工业高温水蒸气输送管道材料。但由于锆合金管材易于高温水蒸气反应放出氢气，引发严重的安全事故。因此，人们通过在锆合金中添加合金元素或在其表面镀覆保护层进行改性，提高其抗氧化性能和抗蚀能力，同时不大幅增加其中子吸收截面。

Cr由于其因其中子散射截面(3.1barn)低和公认的抗氧化性能被国内外认为是防护包壳最适合的备选材料。Al(0.22barn)因其优异的抗氧化和腐蚀性能也被广泛应用；其他低中子散射截面元素Mg(0.069barn)、Nb(1.1barn)、Zr(0.18barn)等也可尝试应用于锆合金表面保护层改性材料。Cr与低中子吸收截面的Me(Zr、Al、Mg、Nb)多层防护层可充分利用Cr的抗氧化性能和Me的低中子截面吸收的优势，在降低锆合金管材的中子吸收的基础上，显著提高其耐高温水蒸气的腐蚀性能。

在制备工艺的选择上，磁控溅射法克服了以往多弧离子镀镀膜表面颗粒大、表面粗糙的缺点，制备的膜层更加连续致密，平整度更好，同时提高了膜基结合强度。

发明内容

本发明要解决的关键问题是核燃料用锆合金管材在高温水蒸气易被氧化腐蚀，以往镀膜工艺及厚度达不到核燃料堆用包壳材料的防护性能要求，为此，本发明提供了一种以Zr为基底的Cr-Me多层膜及其制备方法，以达到降低中子吸收，抗高温水蒸气腐蚀的目的。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种以Zr为基底的Cr-Me多层膜的制备方法，包括以下步骤：

1)对Zr-4合金基底进行机械打磨和抛光处理，并进行超声清洗、烘干处理；

2)将处理好的Zr-4合金基底置于磁控溅射的夹具中，在靶基座上分别装上Cr和Me靶，并调整靶间距；本底真空控制在～10^-4Pa，利用氩气调节腔体的气压在10^-3～10^-2Pa范围内；采用直流溅射方式溅射得到Cr-Me多层膜。

本发明进一步的改进在于，所制备的Cr-Me多层膜包含Cr-Zr多层，Cr-Al多层，Cr-Mg多层，Cr-Nb多层4类多层膜。

本发明进一步的改进在于，步骤2)中镀膜所采用的工艺是物理气相沉积中的磁控溅射法。

本发明进一步的改进在于，步骤2)中Me靶材为纯度99.99％的Zr靶材、纯度99.99％的Al靶材、纯度99.99％的Mg靶材或纯度99.99％的Nb靶材4种靶材。

本发明进一步的改进在于，步骤2)中所镀覆的Cr-Me多层膜的厚度调制比从1：(0.1-10)。

本发明进一步的改进在于，步骤2)中先在Zr基底上镀覆50-100nm的Cr沉积层，作为薄膜和基体之间的过渡层。