[发明专利]一种在反应堆用锆合金表面制备高硬耐磨复合涂层的方法

说明书

本发明公开了一种在反应堆用锆合金表面制备高硬耐磨复合涂层的方法，包括以下步骤：1)将锆合金工件打磨至光亮，然后进行一次清洗并干燥，并且在涂层制备之前对工件表面进行二次清洗并干燥；2)采用多弧离子镀在工件表面制备Cr/TiAlN复合涂层，将预处理后的锆合金工件放置于多弧离子镀腔体内，将所述腔体抽至真空，所述真空的压力为3×10^‑3Pa；通入氩气，使得腔体内气压达到约1Pa，打开离子源并采用离子源对工件表面和靶材进行清洗；调整多弧离子镀参数，依次进行Cr涂层和TiAlN涂层的制备。通过本发明方法所制备的高硬耐磨Cr/TiAlN复合涂层，具有较好的耐摩擦磨损性能，同时表面硬度较基体大大提升，涂层表面致密且孔隙率低，具有一定的抗氧化能力，从而改善Zr‑4和Zr702合金表面性能，具有操作方便、设备简单、经济实用、技术可靠、质量稳定等特点。

技术领域

本发明涉及金属材料表面加工处理技术领域，具体涉及一种在反应堆用锆合金表面制备高硬耐磨复合涂层的方法。

背景技术

锆(Zr)及其合金具有中子吸收截面小、耐腐蚀能力强和生物相容性优异等优点，在核工业、化工及生物医药领域均有着重要的结构应用。其中，Zr-4 作为一种典型的商用锆合金，已被做成锆包壳成功地应用于压水堆中，表现出了良好的抗辐照性和耐腐蚀性能。另外，Zr702也是广泛商用的锆合金的典型代表。

但是，锆合金在堆内长时间的处于高温高压水腐蚀的环境，且锆包壳与冷却剂中的颗粒以及换料过程中与格架之间的摩擦作用极易导致锆合金的失效。特别是日本福岛核电事故后，核电的安全性再次摆在了所有核工作者的面前，如何进一步提高正常工况下核燃料元件的安全性和可靠性成了一个亟待解决的问题。随着表面技术的发展，可应用表面改性技术增强反应堆锆合金包壳的使用性能，其中锆合金表面涂层(包括纯金属、氧化物、氮化物、金属间化合物等)可以大大增强锆包壳的耐摩擦磨损性能，也能够有效的提升锆包壳的强度。

使用锆合金表面涂层技术主要用于增强锆包壳表面耐摩擦磨损性能及强度。通过在锆合金外表面制备上一层或者几层涂层材料以增强包壳耐磨的能力，从而改善正常工况下锆合金的使用性能。研究表明，金属Cr具有抗振动、抗蠕变、耐高温和抗氧化等优点，且Cr与锆合金的兼容性好，膨胀系数匹配性好； TiAl具有膜基结合强度高、耐腐蚀性和耐磨性好等特点。多弧离子镀技术具有镀膜速度高，膜层的致密度大，膜的附着力好等特点。因此，通过多弧离子镀在反应堆用锆合金表面制备高硬耐磨的Cr/TiAlN复合涂层，提高锆合金包壳的耐摩擦磨损性能及强度，以满足反应堆设计对燃料性能提出的更高使用要求。然而，迄今为止，采用多弧离子镀技术在反应堆用锆合金表面制备Cr/TiAlN复合涂层以及采用不同制备参数(基体偏压、沉积时间、沉积温度等)得到的涂层性能研究还尚未见报道。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足，本发明提供了一种操作简单、技术可靠、经济实用的获得反应堆用锆合金表面高硬耐磨Cr/TiAlN复合涂层的方法，进而达到增强锆包壳耐摩擦磨损性能及强度的目的。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种在反应堆用锆合金表面制备高硬耐磨复合涂层的方法，包括如下步骤： (1)工件预处理：将锆合金工件打磨至光亮，然后进行一次清洗并干燥，并且在涂层制备之前对工件表面进行二次清洗并干燥；(2)工件表面涂层制备：采用多弧离子镀在工件表面制备Cr/TiAlN复合涂层，具体包括以下步骤：将上述预处理后的锆合金工件放置于多弧离子镀腔体内，将所述腔体抽至真空，所述真空的压力为3×10^-3Pa；通入氩气，使得腔体内气压达到约1Pa，打开离子源并采用离子源对工件表面和靶材进行清洗；调整多弧离子镀参数，依次进行Cr涂层和TiAlN涂层的制备。

在本发明的一种优选方案中，所述锆合金为Zr-4或Zr702。

在本发明的一种优选方案中，预处理之前的锆合金工件为轧制退火态，轧制变形量40-60％，退火温度为550-650℃。