[发明专利]一种具有长时间耐高温水蒸汽氧化的Fe-Cr-Al基防护涂层及其制备方法

说明书

本发明属于合金涂层防护领域，公开一种具有长时间耐高温水蒸汽氧化的Fe‑Cr‑Al基防护涂层及其制备方法，该涂层的组成表示为Fe_xCr_yAl_zMe_mSi_nY_p，Me选自Mo、Nb、Ni中的一种或两种，其中x，y，z，m，n，p为原子比，30.5≤x≤34.9，20.6≤y≤23.2，11.6≤z≤16.1，13.4≤m≤14.9，13.6≤n≤17.4，1.6≤p≤2.6；所述的Fe‑Cr‑Al基防护涂层为非晶结构或非晶中弥散分布纳米晶的两相结构，涂层呈非柱状晶生长，沿涂层生长方向无贯穿性空隙或裂纹。该防护涂层应用于Zr合金包壳管上，可提高锆合金抵抗高温水蒸汽(1000～1200℃)氧化的能力，一方面为事故留下更多的容错时间，另一方面可显著延长核电用包壳管的使用寿命。

技术领域

本发明属于合金涂层防护领域，具体涉及一种具有长时间耐高温水蒸汽氧化的Fe-Cr-Al基防护涂层及其制备方法。

背景技术

核安全的首道防线就是核燃料的包覆材料包壳管，它的作用是把燃料芯体包覆起来，从而防止裂变产物释放到冷却剂中，要求其在整个使用过程中不能发生破损而导致放射性外溢，目前采用锆合金来制得锆合金包壳管。在核反应堆中，锆合金包壳管所处的工况条件非常恶劣，不仅需要承受高温、高压和强烈的中子辐照，还要求耐高硼水腐蚀、应力腐蚀等，随时间延长，力学性能发生变化，强度升高，延性降低、变脆，因此每隔12个月就要更换一次，属于高消耗品。而Fe-Cr-Al合金材料由于其在高温腐蚀环境中易生成致密的α-Al₂O₃和Cr₂O₃，表现出较强的抗氧化、抗腐蚀性和耐中子辐照性并且力学性能优良。通过在锆合金包壳管表面形成Fe-Cr-Al基涂层，可显著提高核电用包壳管的使用寿命，提高事故容错能力。

物理气相磁控溅射法制备涂层，由于其制备的涂层与基体结合力好、力学性能优异，是比较常用的一种涂层制备手段。但该种方法在制备Fe-Cr-Al基涂层时，一方面制备的涂层常为柱状晶结构，柱状晶之间的孔隙为氧的扩散提供了快速通道，制备的涂层抗氧化能力不佳。发明人在早期研究中CN111041436A公开了一种用于锆合金防护的Fe-Cr-Al-Y涂层及其制备方法和应用，该技术通过改善柱状晶的结构，如形成纤维柱状晶生长结构，相邻两个纤维柱状晶之间边界致密，来减少柱状晶之间的孔隙，使得涂层起到了较好的抗高温水蒸气氧化防护效果。另一方面，Fe-Cr-Al基涂层应用于Zr合金包壳管的防护时，高温情况下(1200℃)，涂层会与基体发生Fe-Zr互扩散，破坏了涂层的成分组成，导致涂层的抗氧化能力降低。

CN110835755A公开了一种核用锆合金涂层的制备方法，是针对锆合金板高温性能差、工作寿命短的情况，在锆合金板表面激光熔覆FeCrAl涂层，提高锆合金板的高温高压水腐蚀性能，激光熔覆制备的FeCrAl涂层无Fe-Zr共晶相形成，涂层致密无孔洞裂纹，减少了Fe和Zr相的相互扩散，激光熔覆制备的FeCrAl涂层，高温环境下可有效阻挡氧元素向涂层内部的扩散。

综上，物理气相法沉积制备Fe-Cr-Al基涂层或该Fe-Cr-Al基涂层作为锆合金包壳管的防护涂层时，在耐高温水蒸气氧化防护能力方面，还存在众多不足，仍待技术改进。

发明内容

本发明目的在于提供一种技术改进后的Fe-Cr-Al基防护涂层，改进后的该涂层显著延长了其耐高温水蒸气氧化的时间，作为锆合金包壳管的防护涂层，防护能力大幅度增强，进而提高了该涂层在核电方面的应用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：