CN105887080A - 一种事故容错核燃料包壳TiCrNiAlSi/ZrC涂层及制备方法 - Google Patents

一种事故容错核燃料包壳TiCrNiAlSi/ZrC涂层及制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN105887080A
CN105887080A CN201610285748.XA CN201610285748A CN105887080A CN 105887080 A CN105887080 A CN 105887080A CN 201610285748 A CN201610285748 A CN 201610285748A CN 105887080 A CN105887080 A CN 105887080A
Authority
CN
China
Prior art keywords
cladding
laser
ranges
zrc
coating
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201610285748.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN105887080B (zh
Inventor
杨胶溪
靳延鹏
贾无名
陈虹
王喜兵
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing University of Technology
Original Assignee
Beijing University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing University of Technology filed Critical Beijing University of Technology
Priority to CN201610285748.XA priority Critical patent/CN105887080B/zh
Publication of CN105887080A publication Critical patent/CN105887080A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105887080B publication Critical patent/CN105887080B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
    • C23C24/08—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat
    • C23C24/10—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat with intermediate formation of a liquid phase in the layer
    • C23C24/103—Coating with metallic material, i.e. metals or metal alloys, optionally comprising hard particles, e.g. oxides, carbides or nitrides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C29/00—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides
    • C22C29/02—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides
    • C22C29/06—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides based on carbides, but not containing other metal compounds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C30/00—Alloys containing less than 50% by weight of each constituent
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21C—NUCLEAR REACTORS
    • G21C3/00—Reactor fuel elements and their assemblies; Selection of substances for use as reactor fuel elements
    • G21C3/02—Fuel elements
    • G21C3/04—Constructional details
    • G21C3/06—Casings; Jackets
    • G21C3/07—Casings; Jackets characterised by their material, e.g. alloys
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors

Abstract

本发明公开一种事故容错核燃料包壳TiCrNiAlSi/ZrC涂层及制备方法，利用激光微熔覆技术，在核燃料包壳锆合金管上制备一层TiCrNiAlSi/ZrC涂层，从而达到提高其抗氧化性能的目的。涂层成分的质量百分比为：11～16％Ti，20～27％Cr，5～8％Al，3～6％Si，1～3％Ni，40～60％ZrC。激光器功率为60～150W，光斑直径为60‑150μm，激光扫描速度为400～700mm/min，搭接率为15％～30％，送粉器送粉速率为1.5～3.5g/min，保护气氩气流量为3～6L/min，粉末束流与激光束夹角为50°～75°。得到与基体冶金结合良好、无气孔、裂纹等缺陷的熔覆层。该方法具有光束质量集中，光斑尺寸小，形成的熔池细小，对基体的热影响小，基体变形小等优势。

Description

一种事故容错核燃料包壳TiCrNiAlSi/ZrC涂层及制备方法
技术领域
本发明属于激光熔覆技术领域，具体为涉及一种事故容错核燃料包壳的复合涂层及制备方法。利用激光微熔覆技术在核燃料包壳表面制备一层TiCrNiAlSi/ZrC涂层，从而达到提高事故容错核燃料包壳的抗氧化能力的目的。
背景技术
锆合金由于具有优异的核性能(热中子吸收截面只有1.85×10-29m2)和耐腐蚀性能(在300～400℃高温高压水蒸汽中耐腐蚀)以及适中的力学性能、良好的加工性能、与铀燃料良好的相容性，被广泛应用于核动力水冷堆的燃料包壳管和结构材料，也被称为“原子时代的第一号金属”。但是2011年福岛核事故的发生，表明现有的核燃料包壳在突发事故时已不能满足安全性能要求，所以开发一种新型的抗高温氧化核燃料包壳材料刻不容缓。
激光熔覆作为一种先进的表面改进技术，可以显著改善材料的耐磨、耐腐蚀、抗氧化等性能。与传统表面处理技术相比，它具有很多优点。因此，可以利用激光微熔覆方法在锆合金管上熔覆一层复合材料，从而提高其抗氧化能力。
发明内容
为了提高核燃料包壳的抗氧化性能，本发明提供了一种用于提高核燃料包壳抗高温氧化性能的复合涂层材料及激光微熔覆制备方法，该方法可以制备厚度为20～110μm的熔覆层，熔覆层与基体达到良好的冶金结合，并且没有裂纹、气孔等缺陷，对基体的热影响小，处理后其抗氧化性能得到提高。本发明中的用于提高核燃料包壳抗氧化性能的涂层材料，其特征在于各组分的质量百分比如下：11～16％Ti，20～27％Cr，5～8％Al，3～6％Si，1～3％Ni，40～60％ZrC。利用同步送粉激光微熔覆技术在锆合金管表面上制备厚度为20～110μm厚的熔覆层。其中激光微熔覆制备过程所用的工艺参数为：激光器功率为60～150W，光斑直径为60-150μm，激光扫描速度为400～700mm/min，搭接率为15％～30％，送粉器送粉速率为1.5～3.5g/min，保护气氩气流量为3～6L/min，所输入的粉末束流与激光束夹角为50°～75°。
本发明主要是利用激光微熔覆技术在核燃料包壳上制备一层TiCrNiAlSi/ZrC涂层，从而达到提高其抗氧化性能目的。
附图说明
图1激光微熔覆处理后的合金管形貌。
图2是扫描电镜下激光微熔覆处理后的合金管截面形貌。
图3是扫描电镜下熔覆层金相组织形貌。
图4是高温水蒸气氧化实验结果。
具体实施方式
实施例一：
包括以下步骤：
先对锆合金管表面进行喷砂处理，提高对光的吸收。
根据实验需求，对机械手和变位机进行编程。
涂层材料各组分按质量百分比设计如下:11％Ti，20％Cr，5％Al，3％Si，1％Ni，60％ZrC。按上述组分的质量百分比称量该配比的单元素粉末，在球磨机中进行粉末混合2小时，混合后得到均匀粉末。
将粉末在干燥箱内烘干2小时，烘干温度为100摄氏度。
采用IPG 500W光纤激光器在锆合金管表面制备合金熔覆层，激光微熔覆工艺参数为：激光器功率为150W，光斑直径为150μm，扫描速度为400mm/min，所输送的粉末束流与激光束呈50°，送粉速度为3.5g/min，保护氩气流量为6L/min，搭接率为30％，熔覆长度为30mm。为避免管内壁因受热发生氧化、氮化等，在管内壁通入氩气进行保护与冷却，保护气氩气流量为20L/min。
经过熔覆后对合金管进行切割处理，切成长度为10mm，然后在扫描电镜显微镜下观察组织，并测量熔覆层厚度。
对本案例进行高温水蒸气氧化实验测试，实验条件为1200度高温水蒸汽氧化实验，实验时间3600秒，实验结果见图4。
实验结果表明：激光微熔覆方法制备得到的TiCrNiAlSi/ZrC涂层具有比原始锆合金管更好的抗高温氧化性能。其抗高温氧化性能不及案例二、案例三高。本发明提高了事故容错核燃料包壳的抗高温氧化性能。
实施例二：
与实施例一相同部分不在叙述，不同之处是：涂层材料的各组分按质量百分比设计如下:13％Ti，24％Cr，6％Al，5％Si，2％Ni，50％ZrC。按上述组分的质量百分比称量该配比的单元素粉末，在球磨机中进行粉末混合2小时，混合后得到均匀粉末。
采用IPG500W光纤激光器在锆合金管表面制备合金熔覆层，激光微熔覆工艺参数为：激光器功率为100W，光斑直径为110μm，扫描速度为500mm/min，所输送的粉末束流与激光束呈60°，送粉速度为3g/min，保护气氩气流量为4.5L/min，搭接率为20％，熔覆长度为30mm。为避免管内壁因受热发生氧化、氮化等，在管内壁通入氩气进行保护与冷却，保护气氩气流量为20L/min。
对本案例进行高温水蒸气氧化实验测试，实验条件为1200度高温水蒸汽氧化实验，实验时间3600秒，实验结果见图4。
实验结果表明：激光微熔覆方法制备得到的TiCrNiAlSi/ZrC涂层具有比原始锆合金管更好的抗高温氧化性能。本案例抗高温氧化性能高于案例一，但不及案例三。
实施例三：
与实施例一相同部分不在叙述，不同之处是：涂层材料的各组分按质量百分比设计如下:16％Ti，27％Cr，8％Al，6％Si，3％Ni，40％ZrC。按上述组分的质量百分比称量该配比的单元素粉末，在球磨机中进行粉末混合2小时，混合后得到均匀粉末。激光功率为60W。
采用IPG500W光纤激光器在锆合金管表面制备合金熔覆层，激光微熔覆工艺参数为：激光器功率为60W，光斑直径为60μm，扫描速度为700mm/min，所输送的粉末束流与激光束呈75°，送粉速度为1.5g/min，保护气氩气为3L/min，搭接率为15％，熔覆长度为30mm。为避免管内壁因受热发生氧化、氮化等，在管内壁通入氩气进行保护与冷却，保护气氩气流量为20L/min。
对本案例进行高温水蒸气氧化实验测试，实验条件为1200度高温水蒸汽氧化实验，实验时间3600秒，实验结果见图4。
实验结果表明：激光微熔覆方法制备得到的TiCrNiAlSi/ZrC涂层具有比原始锆合金管更好的抗高温氧化性能。与案例一和案例二相比，案例三的抗高温氧化性能最佳。
在扫描电镜显微镜下观察熔覆层组织状态，并测量熔覆层厚度。多次测量求平均值，比较例一、例二、例三熔覆层的厚度如表一：
表一

Claims (2)

1.一种事故容错核燃料包壳TiCrNiAlSi/ZrC涂层，其特征在于，采用激光微熔覆技术在核燃料包壳锆合金管表面制备厚度为20～110μm厚的TiCrNiAlSi/ZrC复合涂层，涂层成分的质量百分比为：11～16％Ti，20～27％Cr，5～8％Al，3～6％Si，1～3％Ni和40～60％ZrC。
2.制备如权利要求1所述涂层的方法，其特征在于：其中激光微熔覆制备过程所用的工艺参数为：激光器功率为60～150W，光斑直径为60-150μm，激光扫描速度为400～700mm/min，搭接率为15％～30％，送粉器送粉速率为1.5～3.5g/min,保护气氩气流量为3～6L/min，所输入的粉末束流与激光束夹角为50°～75°。
CN201610285748.XA 2016-05-02 2016-05-02 一种事故容错核燃料包壳TiCrNiAlSi/ZrC涂层及制备方法 Active CN105887080B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610285748.XA CN105887080B (zh) 2016-05-02 2016-05-02 一种事故容错核燃料包壳TiCrNiAlSi/ZrC涂层及制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610285748.XA CN105887080B (zh) 2016-05-02 2016-05-02 一种事故容错核燃料包壳TiCrNiAlSi/ZrC涂层及制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105887080A true CN105887080A (zh) 2016-08-24
CN105887080B CN105887080B (zh) 2018-08-07

Family

ID=56703152

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610285748.XA Active CN105887080B (zh) 2016-05-02 2016-05-02 一种事故容错核燃料包壳TiCrNiAlSi/ZrC涂层及制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN105887080B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113667974A (zh) * 2021-09-01 2021-11-19 燕山大学 钛合金表面耐磨金属-多元陶瓷复合改性涂层的制备方法
CN114951691A (zh) * 2022-03-28 2022-08-30 上海大学 一种核燃料包壳用ZrC颗粒增强FeCrAl金属基复合材料的激光增材制造方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1405355A (zh) * 2001-08-04 2003-03-26 山东科技大学机械电子工程学院 金属表面熔覆涂层特别是梯度涂层的方法
WO2013000237A1 (zh) * 2011-06-29 2013-01-03 山东能源机械集团大族再制造有限公司 一种矿用不锈钢液压立柱及其加工方法
CN103866319A (zh) * 2014-03-31 2014-06-18 山东大学 锆合金表面制备镍基耐热耐磨涂层的激光熔覆方法
CN104388927A (zh) * 2014-11-14 2015-03-04 重庆理工大学 一种在铝合金表面制备高硬度涂层的方法
CN105369247A (zh) * 2015-12-09 2016-03-02 江苏东方电力锅炉配件有限公司 一种锅炉管防腐涂层的制作方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1405355A (zh) * 2001-08-04 2003-03-26 山东科技大学机械电子工程学院 金属表面熔覆涂层特别是梯度涂层的方法
WO2013000237A1 (zh) * 2011-06-29 2013-01-03 山东能源机械集团大族再制造有限公司 一种矿用不锈钢液压立柱及其加工方法
CN103866319A (zh) * 2014-03-31 2014-06-18 山东大学 锆合金表面制备镍基耐热耐磨涂层的激光熔覆方法
CN104388927A (zh) * 2014-11-14 2015-03-04 重庆理工大学 一种在铝合金表面制备高硬度涂层的方法
CN105369247A (zh) * 2015-12-09 2016-03-02 江苏东方电力锅炉配件有限公司 一种锅炉管防腐涂层的制作方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113667974A (zh) * 2021-09-01 2021-11-19 燕山大学 钛合金表面耐磨金属-多元陶瓷复合改性涂层的制备方法
CN114951691A (zh) * 2022-03-28 2022-08-30 上海大学 一种核燃料包壳用ZrC颗粒增强FeCrAl金属基复合材料的激光增材制造方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN105887080B (zh) 2018-08-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107096923B (zh) 基于激光增材制造的高熔点高熵合金球形粉末的制备方法
KR101405396B1 (ko) 표면에 혼합층을 포함하는 코팅층이 형성된 지르코늄 합금 및 이의 제조방법
Koo et al. KAERI’s development of LWR accident-tolerant fuel
CN107774997B (zh) 一种镍基定向高温合金激光定向增材方法
KR101595436B1 (ko) 다층구조 핵연료 피복관 및 이의 제조방법
CN105154872B (zh) 一种在钛合金上制备Ni基合金梯度材料的激光制造工艺
CN108335760A (zh) 一种高铀装载量弥散燃料芯块的制备方法
CN113201667B (zh) 一种镍基高温合金及其设计方法
KR101393327B1 (ko) 초고온 내산화성 증진을 위한 지르코늄 합금 및 이의 제조방법
Huang et al. Process optimization of melt growth alumina/aluminum titanate composites directed energy deposition: Effects of scanning speed
CN109332695A (zh) 一种增强抗氧化性钼基合金的选区激光熔化制备方法
CN105132844A (zh) 一种改善Nb-Si基多元合金高温抗氧化性的方法
Luo et al. Brazing SiC ceramics and Zr with CoCrFeNiCuSn high entropy alloy
Nikitina et al. Advances in structural materials for fast-reactor cores
CN105887080A (zh) 一种事故容错核燃料包壳TiCrNiAlSi/ZrC涂层及制备方法
CA2763153C (en) Brazing method for joining using amorphous sputtered coating layer as filler and amorphous brazing filler for the brazing method
Huang et al. Cracking mechanism in laser directed energy deposition of melt growth alumina/aluminum titanate ceramics
CN104962778B (zh) 一种高钒含量阻燃钛合金及其制备方法
Liu et al. Microstructure evolution of TiC/Inconel 718 composites prepared by direct energy deposition
Wang et al. Effects of Nb and Mo on 1200° C Steam Oxidation and Mechanical Properties of FeCrAl Alloys for Fuel Cladding Materials
CN105154871A (zh) 在钛合金上制备TiAl基合金梯度阻燃材料的激光制造方法
Zhan et al. A study of microstructures and mechanical properties of laser welded joint in GH3030 alloy
Kim et al. High temperature oxidation behavior of zirconium silicides and their coating by laser cladding on the zircaloy-4 tube
Hu et al. Experimental Investigation of Residual Stress Relief Using Pre-and Post-clad Heating in the Laser Cladding Process.
CN113798513B (zh) 一种可调控核反应堆压力容器用钢缺陷的增材制造方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant