[发明专利]一种电解液及其用于制备核燃料棒锆合金包壳微弧氧化膜的用途和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用微弧氧化技术在核燃料棒包壳表面制备保护膜的电解液及工艺，属于材料表面改性领域，主要适用于提高核燃料棒锆合金包壳在高温高压水环境中的耐腐蚀性能。 

背景技术

锆合金热中子吸收截面小，具有良好的耐高温水腐蚀性能和高温力学性能，被广泛用做核燃料棒的包壳材料和反应堆堆芯的结构元件。用作核燃料棒包壳时，锆合金一方面要传递能量，同时又要避免燃料与冷却剂接触，包容放射性的裂变产物，防止冷却剂受到放射性物质污染，这是反应堆安全运行的第一道屏障。 

包壳的外壁受到高温高压水的冲刷和腐蚀，以及中子辐照损伤及腐蚀吸氢，将导致包壳的综合性能下降，包括力学性能、导热性能等。目前，科研工作者正致力于提高燃料燃耗、降低燃料成本、提高反应堆热效率及其安全可靠性，对燃料棒包壳材料锆合金的抗腐蚀性能、吸氢特性、力学性能和辐照尺寸稳定性提出更高要求，其中提高其在高温高压环境中耐水侧腐蚀性能是延长包壳使用寿命的关键之一。表面处理是提高锆合金包壳的耐高温高压水腐蚀性能的方法之一，表面处理技术包括高频感应氧化、激光表面合金化、离子注入、高压釜预氧化、阳极氧化等。 

微弧氧化是一种有色金属表面原位生长陶瓷层的新技术，就是将相关金属或其合金置于电解质水溶液中，施加高电压使金属表面产生大量游动的火花放电斑点，在热化学、等离子体化学和电化学的共同作用下生成致密的陶瓷氧化膜。微弧氧化膜层与金属基体结合牢固，结构致密，具有良好的耐磨、耐腐蚀、耐高温冲击和电绝缘等特性。利用微弧氧化技术能够在锆合金表面形成耐磨损、耐腐蚀的氧化锆陶瓷膜，微弧氧化技术关键在于根据工件的具体防护要求采用适宜的电解液及氧化工艺。 

申请号为200810241636.X、公开日为2010.06.23的专利文献中，采用氟锆酸钾、氟硼酸盐、锌的水溶性羟酸盐、碱金属氢氧化物电解液和单极性电源，在锆合金表面形成6～40μm厚的微弧氧化膜，在常压和35℃的中性盐雾试验条件下显示较高的耐腐蚀性能。由于来自电解液的硼离子沉积在膜层中，使膜层具有较高的中子吸收截面，因此按照该专利获得的微弧氧化膜不太适合核燃料棒包壳的表面防护。 

核燃料棒锆合金包壳表面微弧氧化膜应该有良好的致密性、附着力以及适宜的厚 度，使微弧氧化表面处理的锆合金包壳具有良好的耐高温高压水腐蚀性能，同时需要控制微弧氧化膜的厚度，以便膜层对包壳的传热特性没有明显的影响。目前尚缺乏一种适用于核燃料棒包壳保护膜制备的电解液及微弧氧化工艺。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种特别适用于核燃料棒包壳保护膜的制备的电解液。 

本发明同时还提供一种适于制备核燃料棒包壳保护膜的微弧氧化方法，该方法所制备的保护膜，能够延长核燃料棒锆合金包壳在反应堆高温高压水环境中的使用寿命。 

为解决上述技术问题，本发明采用的一种技术方案是： 

一种用于锆或锆合金表面微弧氧化膜制备的电解液，其为碳酸钠、氢氧化锂以及甘油的混合水溶液，其中，碳酸钠的含量为5g/L～15g/L、氢氧化锂的含量为2g/L～12g/L、甘油的含量为30ml/L～60ml/L。 

根据本发明的一个优选方面，电解液中碳酸钠的含量为5g/L～10g/L，氢氧化锂的含量为3g/L～8g/L、甘油的含量为30ml/L～50ml/L。 

更优选地，电解液中碳酸钠的含量为7g/L～10g/L，氢氧化锂的含量为4g/L～5g/L、甘油的含量为30ml/L～50ml/L。在一个具体的实施方式中，电解液中碳酸钠的含量为7g/L，氢氧化锂的含量为4g/L、甘油的含量为50ml/L。 

本发明采取的又一技术方案是：一种锆或锆合金表面微弧氧化方法，其包括如下步骤： 

（1）、前处理； 

（2）、将经前处理的锆或锆合金放入盛装电解液的电解槽中，以锆或锆合金为阳极，以不锈钢电解槽为阴极，采用微弧氧化设备对锆或锆合金进行微弧氧化，直至锆或锆合金表面生成所需厚度的微弧氧化膜； 

（3）、封孔处理， 

特别是，步骤（2）中，所采用的电解液为本发明上述的电解液。 

优选地，所述前处理包括对锆或锆合金表面所依次进行的表面清洗处理、化学抛光处理及真空退火处理。