[发明专利]一种铅基反应堆泵叶轮用复合涂层及其制备方法

说明书

本发明提供了一种铅基反应堆泵叶轮用复合涂层，采用三层梯度复合结构；所述三层梯度复合结构的最内层由化学成分及热膨胀系数和金属基体匹配的高熵合金涂层构成，最外层由耐磨性好、抗铅合金冲刷腐蚀性能优异的Ti₃AlC₂涂层构成，中间层由高熵合金和Ti₃AlC₂复合涂层构成，中间层的Ti₃AlC₂质量比为40～60％；其中，高熵合金由Fe、Cr、Ni、Al、Ti按摩尔比1：1：1：1：(0～0.4)组成。本发明还提供了一种上述涂层的制备方法。本发明通过梯度结构设计，可以缓解涂层与金属基体之间的热应力，提高涂层和基体结合力，并兼顾涂层的耐摩擦、抗腐蚀性能，从而提高涂层的抗高流速铅合金冲刷腐蚀的能力。

技术领域

本发明涉及防护涂层技术领域，尤其涉及一种铅基反应堆泵叶轮用复合涂层及其制备方法。

背景技术

以液态铅合金作为冷却剂的铅基反应堆具有良好的中子学、热工水力学和安全特性，已成为第四代先进核能系统、加速器驱动次临界核能系统(ADS)以及聚变堆的主要候选堆型之一。

虽然铅基反应堆具有许多优异的特性，但它面临一个特有的问题，即液态铅合金会腐蚀与之接触的结构材料，因此，结构材料的抗铅合金腐蚀性能决定着铅基反应堆的结构设计和长期的稳定与安全运行。和堆内其他构件相比，核主泵服役条件更为苛刻，泵叶轮表面除易受到铅合金的化学腐蚀之外，泵叶轮处高流速铅合金带来的机械冲刷力还将造成泵叶轮表面的摩擦和磨损。

因此，研发一种新型的抗高流速铅合金冲刷腐蚀的防护涂层，对于铅基反应堆的研发具有重要科学意义和工程应用价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种与泵叶轮金属材料基体匹配性好，并具有优异的抗高流速铅合金冲刷腐蚀性能的铅基反应堆泵叶轮用复合涂层及其制备方法。

本发明采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种铅基反应堆泵叶轮用复合涂层，采用三层梯度复合结构；所述三层梯度复合结构的最内层由化学成分及热膨胀系数和金属基体匹配的高熵合金涂层构成，最外层由耐磨性好、抗铅合金冲刷腐蚀性能优异的Ti₃AlC₂涂层构成，中间层由高熵合金和Ti₃AlC₂复合涂层构成，且中间层中的Ti₃AlC₂质量比为40～60％；其中，最内层和中间层中采用的高熵合金具体由Fe、Cr、Ni、Al、Ti按摩尔比1：1：1：1：(0～0.4)组成。

一种上述铅基反应堆泵叶轮用复合涂层的制备方法，采用大气等离子体喷涂法，具体步骤如下：

S1、喷涂粉末的制备

最内层：喷涂粉末为高熵合金粉末，采用机械合金化方法制备得到；

最外层：喷涂粉末为Ti₃AlC₂粉末；

中间层：喷涂粉末由上述高熵合金粉末和Ti₃AlC₂粉末按照相应比例混合而成；

S2、涂层的制备

①采用刚玉砂对不锈钢基材表面进行喷砂处理；

②采用大气等离子体喷涂工艺在步骤①中喷砂处理后的不锈钢基材表面制备最内层高熵合金涂层；在等离子喷枪中，通过放电生成热等离子体与氩气、氢气混合，将高熵合金粉末送入等离子焰流中被加热熔化后借助气流喷射到喷砂处理后的基体表面，从而在基体表面沉积形成高熵合金涂层；

③采用大气等离子喷涂工艺在步骤②中涂层表面制备高熵合金和Ti₃AlC₂复合构成的中间层；