[发明专利]一种耐高温液态铅或铅铋腐蚀的FeCrAlY涂层及其制备方法

说明书

本发明提供一种耐高温液态铅或铅铋腐蚀的FeCrAlY涂层及其制备方法。该制备方法包括步骤：将结构钢材表面经过打磨或喷砂处理后超声清洗、干燥待用；将清洗干净的结构钢材置于磁控溅射腔中，并固定好金属单质靶材或合金靶材，然后开启真空泵，待磁控溅射腔内真空度达到10^‑4～10^‑5Pa后开始进行溅射，调节进入磁控溅射腔内的氩气流量并使氩气进气压力在3～10Pa，控制磁控溅射电流1～25A，脉冲偏压‑50～‑200V，磁控溅射时间2～10小时；溅射结束后，将表面溅射有FeCrAlY涂层的结构钢材在氮气气氛下原位或异位退火2～5小时，退火温度600～850℃。本发明制备方法工艺简单且成本较低，操作方便。

技术领域

本发明属于高温液态铅/铅铋环境下结构钢材表面腐蚀防护技术领域，具体是涉及一种耐高温液态铅或铅铋腐蚀的FeCrAlY涂层及其制备方法。

背景技术

世界上运行的核电站基本都为热中子反应堆，消耗易裂变的²³⁵U，对铀资源的利用率极低。快中子反应堆(简称快堆)由快中子引发裂变反应，可以将热中子堆不能使用的²³⁸U转化为易裂变的²³⁹Pu并加以利用，从理论可以将铀资源的利用率提高至100％，比热堆中的压水堆铀利用率高140倍，从而可以利用有限的铀资源为人类社会提供更多的核电能量。

在快堆中，采用He气、液态金属Na、液态铅铋合金(Pb-Bi)或Pb作冷却剂都可以获得快中子能谱。与其他冷却剂相比，铅铋合金或铅冷却反应堆具有诸多优势：(1)Pb和Bi的原子质量远大于Na，对中子的慢化截面小，可以增大冷却剂/燃料的体积比，降低堆芯的功率密度；中子俘获截面小且变化平缓；(2)沸点高(约1670℃)，不易产生空泡。如果采用先进的耐热材料，冷却剂出口温度可以提高至800℃，能实现制氢等更广泛的应用；(3)具有化学惰性，与水接触不存在类似钠-水反应这种危险；(4)优良的传热性能，可以将反应堆中的核反应热量迅速传递出去。以液态铅或铅铋为冷却剂的反应堆是现代核能系统中最具有发展潜力的堆型，也是有望成为首个实现工业示范和商业化应用的第四代先进核能系统。

在液态铅(Pb)或铅铋(Pb-Bi)冷却反应堆中，反应堆结构材料(如316L、T91、EP823、SIMP等)将与高温液态铅或铅铋直接接触，高温流动的液态铅或铅铋会通过一系列复杂的化学和物理过程对反应堆结构材料造成严重的腐蚀破坏，严重危及反应堆的安全和使用寿命。在一定的温度及氧含量范围内，液态铅或铅铋中的氧只与材料表面的某些元素反应形成薄而致密的氧化物保护膜，能在一定程度上减弱和抑制腐蚀的进一步发展。但在较高温度的液态铅或铅铋中，结构材料被严重氧化并且不能抑制溶解腐蚀的发生。目前的解决方法除了开发合适的结构钢材外，使用涂层材料也是解决关键部件腐蚀的一个重要解决方案。

目前液态铅或铅铋防腐蚀涂层材料主要有三种类型：难熔金属涂层；氧化物、氮化物等陶瓷涂层；铝化物合金涂层。Al与氧的亲和能力最强，能优先与液态铅或铅铋中的氧结合反应生成稳定的氧化物，Al元素通过扩散在表面选择性地氧化生成一层氧化物保护膜。氧化物生长速度缓慢，同时在机械损伤、应力开裂的情况下自修复愈合，保证了其长期服役过程中的有效性和可靠性。铝化物合金涂层中，耐腐蚀性能表现最为突出的为FeCrAlY涂层。Weisenburger等人采用低压等离子喷涂和高能脉冲电子束重熔工艺在316Ti钢表面制备的FeCrAlY涂层，经过1.6万小时的600℃流动液态铅铋腐蚀实验后，涂层无任何可见的腐蚀和氧化。采用同样工艺在T91钢表面制备的FeCrAlY涂层经过900小时流动液态铅铋腐蚀、应力载荷以及质子辐照的协同作用后涂层表面无损伤痕迹。