一种Zr基合金表面梯度ZrC涂层及其制备方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN113136541A(43)申请公布日2021.07.20(21)申请号202110690661.1(22)申请日2021.06.22(71)申请人中南大学地址410083湖南省长沙市岳麓区麓山南路932号(72)发明人孙威卿馨熊翔田甜张红波(74)专利代理机构北京集佳知识产权代理有限公司11227代理人纪志超(51)Int.Cl.C23C8/64(2006.01)权利要求书1页说明书9页附图10页(54)发明名称一种Zr基合金表面梯度ZrC涂层及其制备方法(57)摘要本发明提供了一种Zr基合金表面梯度ZrC涂层的制备方法，包括：将Zr基合金嵌入具有盲孔的石墨基体的盲孔中，然后进行烧结，得到Zr基合金表面梯度ZrC涂层。本发明采用微压内嵌法，通过石墨基体的纵向盲孔结合常压烧结扩散法使得C扩散进入Zr基合金棒进行原位反应生成ZrC，梯度ZrC涂层均匀包覆Zr基合金表面。本发明提供的方法所形成的不同成分的梯度ZrC涂层每一层均匀分布，结合良好，无明显裂纹，有利于提高复合材料力学性能，特别是高温性能。本发明提供的方法简化了工艺过程，操作简单无污染，条件可控，成本低，可大批量生产。本发明还提供了一种Zr基合金表面梯度ZrC涂层。CN113136541ACN113136541A权利要求书1/1页1.一种Zr基合金表面梯度ZrC涂层的制备方法，包括：将Zr基合金嵌入具有盲孔的石墨基体的盲孔中，然后进行烧结，得到Zr基合金表面梯度ZrC涂层。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述Zr基合金和盲孔间隙配合。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述Zr基合金为多个，所述盲孔为多个。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述Zr基合金的形状为棒状或长方体状；所述盲孔竖直设置在石墨基体内。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述烧结在保护性气氛下进行。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述烧结的温度优选为2040~2060℃。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述烧结的保温时间为2~10小时。8.一种权利要求1所述的方法制备得到的Zr基合金表面梯度ZrC涂层。9.根据权利要求8所述的Zr基合金表面梯度ZrC涂层，其特征在于，包括：Zr基合金；包覆在所述Zr基合金表面的梯度ZrC层；所述梯度ZrC层最外层的成分为ZrC；5。所述梯度ZrC层的中间层为梯度成分的非化学计量比的ZrxC1‑x，x为0.5~0.610.根据权利要求9所述的Zr基合金表面梯度ZrC涂层，其特征在于，所述梯度ZrC层占Zr基合金的体积百分比的15~25%。2CN113136541A说明书1/9页一种Zr基合金表面梯度ZrC涂层及其制备方法技术领域[0001]本发明属于涂层技术领域，尤其涉及一种Zr基合金表面梯度ZrC涂层及其制备方法。背景技术[0002]燃料包壳是燃料元件的重要组成部分，其主要作用是装载燃料芯块，防止核裂变产物逸出保持燃料元件的整体性，是反应堆运行时的第一道安全屏障。反应堆运行时核燃料发生裂变反应产生放射性产物，同时释放中子、γ射线以及α和β粒子。这些粒子对人体而言是致命的，因此必须采用燃料包壳隔离放射性产物与冷却介质以及慢化剂。[0003]事实上，锆合金在20世纪50年代便被证明能够最大限度的满足水冷堆燃料包壳材料的要求。锆合金之所以能够用作燃料包壳，最主要的原因是其中子吸收截面小（热中子吸收截面只有1.85×10‑29m2）。在力学性能相当的基础上锆的中子吸收截面低于铁、镍、铬等金属高达15倍以上，从中子利用效率的角度具有显著的优势；而中子吸收截面与锆相当的铝、镁等金属则由于使用温度的限制（铝在反应堆环境下使用温度低于200℃），无法满足反应堆的要求。因此，从1942年开展燃料包壳材料的研发起，在经历了铝合金、奥氏体不绣钢之后锆合金最终被认定为水冷堆燃料包壳的最佳选择。[0004]然而锆合金在高温（400℃）水热条件下的腐蚀问题限制了锆合金燃料包壳在堆内的服役时间，其腐蚀过程通常伴随着吸氢，进而会造成氢致延迟开裂现象影响材料的力学性能。2011年日本福岛核事故发生，这起事故表明锆合金包壳在反应堆事故工况下的抗氧化性能有待提升，导致这起事故恶化并最终发生反应堆堆芯融化，压力容器爆炸，放射性物质泄露的主要原因正是锆合金包壳在高温环境下与水蒸汽发生的氧化反应，反应方程式如下：Zr+2H2O（g）=ZrO2+2H（g）2该氧化反应是具有高生成焓的（‑586KJ/mol）放热反应，并且伴随着易燃易爆气体氢气的释放。随着事故的发展，锆合金包壳与水蒸气反应放出的热量不断增加，当反应堆温度高于1200℃时，该反应放出的热量甚至超过反应堆燃料的衰变热，成为堆芯