[发明专利]一种锆合金表面等离子喷涂重熔Cr/FeCrAl涂层及其制备方法

说明书

本发明公开了一种核用锆合金表面等离子喷涂重熔Cr/FeCrAl耐LOCA事故涂层的制备方法。步骤是先将预处理过的锆合金基体置于喷涂设备上，用经过预热的FeCrAl粉末对其进行喷涂；在FeCrAl层喷涂结束后，关闭喷涂装置的送粉器，改变喷涂工艺，使喷涂设备在不送粉的情况下，以等离子气体为热源，在原有的喷涂表面对其加热，使得FeCrAl层发生再熔化，并与受到热源作用而表层熔化的锆合金基体形成冶金结合；在对FeCrAl层重熔结束后，不对FeCrAl层进行任何处理，立即对其用经过预热的纯Cr粉末进行喷涂，最终形成重熔Cr/FeCrAl涂层。本发明采用等离子喷涂可靠性高、重复性高和高效经济的制备方法，涂层制备过程中的重熔技术不需要额外的设备及后处理方法，制备工艺简单，具有产业化推广前景。

技术领域

本发明涉及锆合金表面制备耐高温腐蚀涂层的技术领域，具体涉及一种锆合金表面等离子喷涂重熔Cr/FeCrAl涂层及其制备方法。

背景技术

2011年，日本福岛发生了里氏9.0级大地震，致使福岛县两座核电反应堆的急冷却系统出现故障，反应堆内冷却水平面一度下降，导致堆芯裸露。堆芯燃料棒包壳材料为核用锆合金，冷却不足使燃料棒温度急速升高，在高温下锆合金燃料包壳管与水反应生成大量氢气，引发爆炸，最终导致放射性物质泄漏，给全世界带来了灾难性的影响。这类事故通常被称为冷却剂缺失事故(loss-of-coolant accident，LOCA)。事故产生的根本原因是锆合金燃料包壳管虽在常规工况下具有非常优异的耐水侧腐蚀性能，但由于合金本身的特点，其高温强度、高温耐腐蚀性能无法满足防范LOCA事故发生的要求。自此，锆合金燃料包壳管事故容错性差这一缺点引起了学界广泛的关注。我国是能耗大国，出于安全性的考虑，福岛事故曾一度使我国减缓对核电建设的脚步。但出于对绿色能源的需求和对环境保护的需要，决定继续大力发展核电。我国的核电站大都聚集在经济发达人口繁多的地带，一旦发生类似福岛事件那样的核事故，后果将不堪设想。因此，为防范该类事故的发生，发展事故容错型核燃料包壳管(accident-tolerant fuel cladding,ATF包壳管)，对提高核电安全等级，优化我国现有能源布局及治理大气污染等亟需解决的问题具有重要的现实意义。

燃料包壳的耐蚀性是控制核反应堆性能和安全性的最重要的性能之一，因为腐蚀限制了锆合金的使用寿命，并关系到核反应堆的安全性，锆(Zr)合金由于其具有低的热中子吸收截面、良好的抗腐蚀性能和良好的力学性能，已成功且广泛地应用于核反应堆包壳材料。为了进一步提高核电站的安全性，即要达到当水冷反应堆芯失水条件下，锆合金包壳也能工作一段时间而不发生致命性损坏的目的，在包壳表面涂覆保护层是一种能够防止该事故的比较可行的方法。目前，锆合金保护涂层的研究主要为开发抗氧化腐蚀性能较好的材料，采用新型的材料替换锆合金作为ATF燃料包壳管，需要根据使用材料的特性重新设计堆芯组件来保证反应堆的正常运行，这个问题在短期内无法解决。因此，各国学者把研究重点转向了锆合金燃料包壳管的外表面改性，使现有锆合金燃料包壳管适应常规和LOCA事故两种不同工况，是短期内切实有效且经济可行的解决方案。非常遗憾的是，迄今为止仍未发现某种涂层可以同时很好的适应常规工况和LOCA事故工况。

基于这些已有的问题，从使用环境来考虑选择ATF燃料包壳管涂层的材料。如果一种涂层无法满足两种工况条件的要求，那么不妨考虑选择双层涂层来实现ATF燃料包壳管应对不同工况的切换。常规工况和LOCA事故工况的发生有先后顺序，多数情况下包壳管都工作在常规工况下，本发明选择在常规工况下具有优异耐腐蚀性能的材料(Cr)作为外层涂层材料，而具有优异高温抗腐蚀/氧化性能的材料(FeCrAl)作为中间层涂层材料，来解决这一问题。