[发明专利]一种用于核燃料棒锆合金包壳激光焊接接头的保护膜制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属材料表面改性处理技术，特别涉及一种锆合金激光焊接接头表面电解液制备和微弧氧化的工艺方法，主要适用于提高核燃料棒锆合金包壳激光焊接接头的耐腐蚀性能，延长反应堆燃料组件的服役寿命。

背景技术

锆的热中子吸收截面小，具有良好的耐高温水腐蚀性能和高温力学性能，因此在核动力反应堆中锆合金被广泛用做核燃料棒的包壳材料。锆合金作为核燃料的包壳时，一方面要将核燃料裂变时释放的热能传递给冷却剂，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。

核燃料装入锆合金包壳管后，包壳管两端需要采用焊接方法进行密封，以防止核燃料泄漏。激光焊接是密封包壳管的焊接方法之一。根据文献报导(锆及锆合金管道焊接技术探讨.赵珍祥.化工设备与管道.2009，46(3)：52-55)，锆合金激光焊属于熔化焊接方法，焊接过程造成焊缝与母相的组织性能差异很大，存在焊缝成分蒸发现象并具有很大的残余应力等问题，这导致锆合金焊接接头的耐腐蚀性能明显低于其它区域。在反应堆的高温高压水环境中，锆合金包壳焊接接头区域比母相区更容易发生腐蚀，引起包壳破损，这可能会导致核燃料泄漏，降低燃料组件的寿命。目前还缺乏锆合金包壳管两端焊接接头腐蚀防护的有效方法。

微弧氧化技术是一种直接在有色金属表面原位生长陶瓷层的新技术。将Al、Mg、Ti等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等离子火花放电斑点，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，提高了合金的耐磨损、耐腐蚀性能。根据文献报道(锆合金表面微弧氧化陶瓷膜制备及特性分析.薛文斌，金乾，朱庆振，华铭.材料而处理学报.2010，(2)：119-122。锆合金微弧氧化陶瓷膜结构和耐蚀性的研究.郝建民，缑鹏森，郝一鸣，陈宏.热加工工艺.2013(14)：126-128)，采用微弧氧化方法也可以在锆合金表面获得较致密的氧化物陶瓷膜。

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，微弧氧化膜还应该均匀覆盖在包壳焊接接头区域和母相区，使锆合金包壳不同区域都具有良好的耐高温高压水腐蚀性能以及腐蚀均匀性。目前尚缺乏一种能够满足核燃料棒包壳管焊接接头的使用环境和耐高温高压腐蚀防护要求，并适合锆合金焊接接头保护膜制备的电解液及微弧氧化工艺。本发明采用微弧氧化方法在锆合金激光焊接接头表面形成均匀致密的陶瓷氧化膜，使焊缝及母相表面陶瓷膜特性一致，提高锆合金包壳的耐高温腐蚀性能以及腐蚀均匀性。

发明内容

本发明所要解决的技术难题在于解决锆合金焊接接头在高温水环境中被优先腐蚀问题，提供一种核燃料棒锆合金包壳激光焊接接头表面保护膜的制备方法，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。

以下对发明方法作进一步描述，具体如下：

本发明所述用于锆合金激光焊接接头表面制备保护膜的电解液为磷酸钠、氢氧化钾、甘油组成的水溶液，其中磷酸钠浓度为2-8g/L，氢氧化钾浓度为1-8g/L，甘油浓度为2-8g/L的水溶液。所述的水为去离子水。

该电解液适合各种牌号锆合金的激光焊接接头表面微弧氧化成膜处理，尤其适用于核燃料棒包壳常用的含铌或锡的锆合金材料。

所述的方法是按照以下步骤完成：(1)预处理：将锆合金激光焊接样品，用80^#-2000^#砂纸逐级打磨后，放入丙酮溶液中用超声波清洗除油。(2)微弧氧化处理：将样品接在电源正极，负极接在不锈钢电解槽，然后将核级锆合金激光焊接试样放入配好的电解液中。采用微弧氧化设备对所述的锆合金焊接试样表面进行微弧氧化，直至所述的锆合金样品表面生成一层所需厚度的微弧氧化膜。实验过程中利用气体搅拌器对电解液进行搅拌，利用水循环冷却系统对电解槽进行冷却，控制溶液温度在30℃以下。微弧氧化处理时，所述微弧氧化电源的正向电压为+200V～+500V，负向电压为-50V～-200V，氧化时间10min～60min。