[发明专利]一种铀表面微弧氧化的方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属腐蚀防护领域，尤其是铀防护领域，具体为一种铀表面微弧氧化的方法。

背景技术

铀作为一种重要的核材料，被广泛应用于各种核反应堆制造领域。但未填满的外电子壳层使其成为化学性质活泼的金属，易于被环境气氛中的O₂、H₂、H₂O、CO₂等介质腐蚀，其在大气中室温下放置很短的时间，就会在表面产生氧化和腐蚀，影响其正常使用。因此，必须采取表面涂层保护或合金化手段，以延缓或防止铀的氧化和腐蚀。大量的铀腐蚀及防护试验结果表明，尽管合金化方法能够提高铀的耐蚀性能，但存在着合金成分均匀性差、杂质元素难以控制等问题，限制了合金化方法在铀防护上的用途。而铀的氧化和腐蚀首先是从材料表面开始，表面涂层保护方法既可以减缓铀材料的腐蚀，又可以防止放射性污染，因此表面涂层技术在铀的防腐蚀方面得到了广泛的研究。

从表面工程的角度，提高铀抗腐蚀性能的方法主要有如下两种：（1）利用物理或化学镀膜技术，在金属铀基体表面制备一层致密薄膜，阻止腐蚀介质与铀材料基体接触；（2）利用表面掺杂钝化技术（掺氮、碳、金属等），改变金属铀基体表面成分结构，在金属铀表面形成化学活性较低的氮化铀、碳化铀或铀合金，达到使金属铀材料表面钝化，增加抗腐蚀能力的目的。

《铀表面镀铌激光合金化及其抗腐蚀性研究》（殷雪峰，中国工程物理研究院2004年硕士学位论文）中描述了铀表面电镀层的诸多研究结果，其中指出了电镀层的种类有单质Zn镀层、单质Ni镀层、Ni/Zn双元镀层、Ni/Zn双元镀层并铬化处理等，不同程度地提高了铀的防腐蚀性能。但电镀技术存在如下缺点：1）电镀过程，铀的蚀刻耗损量多（厚度约15μm），2）电镀废液难处理，3）镀层致密度低。

美国陆军材料技术实验室F.C chang等人在《Assessment of Corrosion-Resistant Coatings for a Depleted Uranium-0.75 Titanium Alloy》（Surface and Coatings Technology 1991，48：31-39）中，描述了一种采用等离子物理气相沉积技术在DU-0.75Ti合金上沉积金属涂层的方法，其在DU-0.75Ti合金上分别制备了Zn、Mg、Al-Zn、Al-Mg、Al、Ni、Ti、TiN及Al/TiN镀层，Al-Zn和Al-Mg两种镀层的自腐蚀电位最高，是DU-0.75Ti良好的牺牲性保护涂层材料。美国SANDIA实验室的Bland等人在《Ion-plated Coatings for the Corrosion Protection of Uranium.Sandia Corporation，Albuquerque》（SC-DR-65-519，1965）的发表文章中，描述了离子镀金、铜、镍和铝膜的抗腐蚀性实验结果，其在铀基体和铝膜的界面上形成了UAl₂和UAl₃化合物，因此，认为铝膜防腐效果最好。

中国工程物理研究院的张羽廷等人在《热等静压处理对铀基钛镀层的影响》（稀有金属材料与工程，2010，39（增刊1）：501-503）的发表文章中，描述了一种采用热等静压技术处理铀表面磁控溅射钛镀层的方法，铀表面 Ti 镀层试样置入包套中，然后抽真空至10^-4Pa 后塑封，放入热等静压机内进行处理。其中，热等静压工艺参数为：保温温度600℃，保温时间0.5 h，压强150 MPa。经过热等静压处理后，钛镀层的致密性及膜基结合强度均得到了提高。中国工程物理研究院的张友寿等人在《铀的腐蚀与防腐蚀技术研究》（材料导报，2005，19（8）：43-46，65）的发表文章中，描述了铀的激光表面合金化的研究进展，其通过在铀表面添加一种或两种合金化元素，然后通过激光重熔形成二元合金或三元合金，使得基体与熔敷层形成冶金熔合，且由于激光的快速凝固作用或合金化作用，使铀在室温下能够保持有γ相，γ相可使抗腐蚀效果明显增强。

上述制备方法对铀及其合金的抗腐蚀性能具有一定的改善，但电镀、化学气相沉积、离子镀、等离子体处理等方法存在工艺复杂、生产效率低、涂层致密性差及厚度薄等问题；而激光表面合金化方法则存在输入热量大、薄壁试件易变形、工艺控制困难等问题；上述缺点在一定程度上，限制了这些方法的推广使用。

因此，迫切需要一种新的方法，以解决上述问题。

发明内容