一種事故容錯核燃料包殼TiCrNiAlSi/ZrC涂層及制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種事故容錯核燃料包殼TiCrNiAlSi/ZrC涂層及制備方法，利用激光微熔覆技術(shù)，在核燃料包殼鋯合金管上制備一層TiCrNiAlSi/ZrC涂層，從而達(dá)到提高其抗氧化性能的目的。涂層成分的質(zhì)量百分比為：11～16％Ti，20～27％Cr，5～8％Al，3～6％Si，1～3％Ni，40～60％ZrC。激光器功率為60～150W，光斑直徑為60?150μm，激光掃描速度為400～700mm/min，搭接率為15％～30％，送粉器送粉速率為1.5～3.5g/min，保護(hù)氣氬氣流量為3～6L/min，粉末束流與激光束夾角為50°～75°。得到與基體冶金結(jié)合良好、無氣孔、裂紋等缺陷的熔覆層。該方法具有光束質(zhì)量集中，光斑尺寸小，形成的熔池細(xì)小，對基體的熱影響小，基體變形小等優(yōu)勢。
【專利說明】
一種事故容錯核燃料包殼T i CrN i AIS i /ZrC涂層及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于激光熔覆技術(shù)領(lǐng)域，具體為涉及一種事故容錯核燃料包殼的復(fù)合涂層 及制備方法。利用激光微熔覆技術(shù)在核燃料包殼表面制備一層TiCrNiAlSi/ZrC涂層，從而 達(dá)到提高事故容錯核燃料包殼的抗氧化能力的目的。
【背景技術(shù)】
[0002] 鋯合金由于具有優(yōu)異的核性能（熱中子吸收截面只有1.85 Xl(T29m2)和耐腐蝕性 能(在300~400°C高溫高壓水蒸汽中耐腐蝕）以及適中的力學(xué)性能、良好的加工性能、與鈾 燃料良好的相容性，被廣泛應(yīng)用于核動力水冷堆的燃料包殼管和結(jié)構(gòu)材料，也被稱為"原子 時代的第一號金屬"。但是2011年福島核事故的發(fā)生，表明現(xiàn)有的核燃料包殼在突發(fā)事故時 已不能滿足安全性能要求，所以開發(fā)一種新型的抗高溫氧化核燃料包殼材料刻不容緩。
[0003] 激光熔覆作為一種先進(jìn)的表面改進(jìn)技術(shù)，可以顯著改善材料的耐磨、耐腐蝕、抗氧 化等性能。與傳統(tǒng)表面處理技術(shù)相比，它具有很多優(yōu)點。因此，可以利用激光微熔覆方法在 鋯合金管上熔覆一層復(fù)合材料，從而提高其抗氧化能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了提高核燃料包殼的抗氧化性能，本發(fā)明提供了一種用于提高核燃料包殼抗高 溫氧化性能的復(fù)合涂層材料及激光微熔覆制備方法，該方法可以制備厚度為20~Ι?ομπι的 熔覆層，熔覆層與基體達(dá)到良好的冶金結(jié)合，并且沒有裂紋、氣孔等缺陷，對基體的熱影響 小，處理后其抗氧化性能得到提高。本發(fā)明中的用于提高核燃料包殼抗氧化性能的涂層材 料，其特征在于各組分的質(zhì)量百分比如下：11~16 % Ti，20~27 % Cr，5~8 % Α1，3~6 % Si，1 ~3%Ni，40~60%ZrC。利用同步送粉激光微熔覆技術(shù)在鋯合金管表面上制備厚度為20~ ΙΙΟμπι厚的熔覆層。其中激光微熔覆制備過程所用的工藝參數(shù)為:激光器功率為60~150W， 光斑直徑為60-150μπι，激光掃描速度為400~700mm/min，搭接率為15%~30%，送粉器送粉 速率為1.5~3.5g/min，保護(hù)氣氬氣流量為3~6L/min，所輸入的粉末束流與激光束夾角為 50°~75°。
[0005] 本發(fā)明主要是利用激光微熔覆技術(shù)在核燃料包殼上制備一層TiCrNiAlSi/ZrC涂 層，從而達(dá)到提高其抗氧化性能目的。
【附圖說明】
[0006] 圖1激光微熔覆處理后的合金管形貌。
[0007] 圖2是掃描電鏡下激光微熔覆處理后的合金管截面形貌。
[0008] 圖3是掃描電鏡下熔覆層金相組織形貌。
[0009] 圖4是高溫水蒸氣氧化實驗結(jié)果。
【具體實施方式】
[0010] 實施例一：
[0011] 包括以下步驟：
[0012] 先對鋯合金管表面進(jìn)行噴砂處理，提高對光的吸收。
[0013] 根據(jù)實驗需求，對機械手和變位機進(jìn)行編程。
[0014] 涂層材料各組分按質(zhì)量百分比設(shè)計如下：11 %Ti，20 %Cr，5 %A1，3 % Si，1 %Ni， 60 %ZrC。按上述組分的質(zhì)量百分比稱量該配比的單元素粉末，在球磨機中進(jìn)行粉末混合2 小時，混合后得到均勻粉末。
[0015] 將粉末在干燥箱內(nèi)烘干2小時，烘干溫度為100攝氏度。
[0016]采用IPG 500W光纖激光器在鋯合金管表面制備合金熔覆層，激光微熔覆工藝參數(shù) 為:激光器功率為150W，光斑直徑為150μπι，掃描速度為400mm/min，所輸送的粉末束流與激 光束呈50°，送粉速度為3.5g/min，保護(hù)氬氣流量為6L/min，搭接率為30 %，熔覆長度為 30mm。為避免管內(nèi)壁因受熱發(fā)生氧化、氮化等，在管內(nèi)壁通入氬氣進(jìn)行保護(hù)與冷卻，保護(hù)氣 氬氣流量為20L/min。
[0017] 經(jīng)過熔覆后對合金管進(jìn)行切割處理，切成長度為10mm，然后在掃描電鏡顯微鏡下 觀察組織，并測量熔覆層厚度。
[0018] 對本案例進(jìn)行高溫水蒸氣氧化實驗測試，實驗條件為1200度高溫水蒸汽氧化實 驗，實驗時間3600秒，實驗結(jié)果見圖4。
[0019] 實驗結(jié)果表明：激光微熔覆方法制備得到的TiCrNiAlSi/ZrC涂層具有比原始鋯合 金管更好的抗高溫氧化性能。其抗高溫氧化性能不及案例二、案例三高。本發(fā)明提高了事故 容錯核燃料包殼的抗高溫氧化性能。
[0020] 實施例二：
[0021] 與實施例一相同部分不在敘述，不同之處是:涂層材料的各組分按質(zhì)量百分比設(shè) 計如下：13 %Ti，24 % Cr，6 % A1，5 % Si，2 %Ni，50 % ZrC。按上述組分的質(zhì)量百分比稱量該配 比的單元素粉末，在球磨機中進(jìn)行粉末混合2小時，混合后得到均勻粉末。
[0022]采用IPG500W光纖激光器在鋯合金管表面制備合金熔覆層，激光微熔覆工藝參數(shù) 為:激光器功率為100W，光斑直徑為ΙΙΟμL?，掃描速度為500mm/min，所輸送的粉末束流與激 光束呈60°，送粉速度為3g/min，保護(hù)氣氬氣流量為4.5L/min，搭接率為20%，熔覆長度為 30mm。為避免管內(nèi)壁因受熱發(fā)生氧化、氮化等，在管內(nèi)壁通入氬氣進(jìn)行保護(hù)與冷卻，保護(hù)氣 氬氣流量為20L/min。
[0023]對本案例進(jìn)行高溫水蒸氣氧化實驗測試，實驗條件為1200度高溫水蒸汽氧化實 驗，實驗時間3600秒，實驗結(jié)果見圖4。
[0024]實驗結(jié)果表明：激光微熔覆方法制備得到的TiCrNiAlSi/ZrC涂層具有比原始鋯合 金管更好的抗高溫氧化性能。本案例抗高溫氧化性能高于案例一，但不及案例三。
[0025] 實施例三：
[0026]與實施例一相同部分不在敘述，不同之處是:涂層材料的各組分按質(zhì)量百分比設(shè) 計如下：16 %Ti，27 % Cr，8 % A1，6 % Si，3 %Ni，40 % ZrC。按上述組分的質(zhì)量百分比稱量該配 比的單元素粉末，在球磨機中進(jìn)行粉末混合2小時，混合后得到均勻粉末。激光功率為60W。 [0027]采用IPG500W光纖激光器在鋯合金管表面制備合金熔覆層，激光微熔覆工藝參數(shù) 為:激光器功率為60W，光斑直徑為60μπι，掃描速度為700mm/min，所輸送的粉末束流與激光 束呈75°，送粉速度為1.5g/min，保護(hù)氣氬氣為3L/min，搭接率為15 %，熔覆長度為30mm。為 避免管內(nèi)壁因受熱發(fā)生氧化、氮化等，在管內(nèi)壁通入氬氣進(jìn)行保護(hù)與冷卻，保護(hù)氣氬氣流量 為20L/min。
[0028]對本案例進(jìn)行高溫水蒸氣氧化實驗測試，實驗條件為1200度高溫水蒸汽氧化實 驗，實驗時間3600秒，實驗結(jié)果見圖4。
[0029]實驗結(jié)果表明：激光微熔覆方法制備得到的TiCrNiAlSi/ZrC涂層具有比原始鋯合 金管更好的抗高溫氧化性能。與案例一和案例二相比，案例三的抗高溫氧化性能最佳。
[0030] 在掃描電鏡顯微鏡下觀察熔覆層組織狀態(tài)，并測量熔覆層厚度。多次測量求平均 值，比較例一、例二、例三熔覆層的厚度如表一：
[0031] 表一
[0032]
【主權(quán)項】
1. 一種事故容錯核燃料包殼TiCrNiAlSi/ZrC涂層，其特征在于，采用激光微熔覆技術(shù) 在核燃料包殼鋯合金管表面制備厚度為20~I IOwii厚的TiCrNiAlSi/ZrC復(fù)合涂層，涂層成 分的質(zhì)量百分比為：11~16%Ti，20~27%Cr，5~8%A1，3~6%Si，l~3%Ni和40~60% ZrC02. 制備如權(quán)利要求1所述涂層的方法，其特征在于:其中激光微熔覆制備過程所用的工 藝參數(shù)為：激光器功率為60~150W，光斑直徑為60-150μπι，激光掃描速度為400~700mm/ min，搭接率為15 %~30 %，送粉器送粉速率為1.5~3.5g/min，保護(hù)氣氬氣流量為3~6L/ min，所輸入的粉末束流與激光束夾角為50°~75°。
【文檔編號】G21C3/07GK105887080SQ201610285748
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年5月2日
【發(fā)明人】楊膠溪, 靳延鵬, 賈無名, 陳虹, 王喜兵
【申請人】北京工業(yè)大學(xué)