CN109868475B - 锆合金包壳及其制备方法、锆合金组件 - Google Patents

锆合金包壳及其制备方法、锆合金组件 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种锆合金包壳及其制备方法、锆合金组件。所述锆合金包壳包括锆合金基底以及设置于锆合金基底表面的涂层，所述涂层包括用于与所述锆合金基底表面贴合的过渡层，以及依次层叠设置于所述过渡层表面的MAX相层和密封层，其中，所述密封层为硬质涂层。本发明的锆合金包壳具有良好的抗水蒸气氧化性能，从而有效提高了锆合金包壳的事故容错性能。所以，将本发明的锆合金包壳用于锆合金组件时，可有效提高安全性。

Description

锆合金包壳及其制备方法、锆合金组件
技术领域
本发明涉及材料技术领域，特别是涉及锆合金包壳及其制备方法、锆合金组件。
背景技术
在核反应堆失水事故工况下，锆合金包壳管温度会急剧上升并与水蒸气发生剧烈反应，所以，在随后的淬火过程中锆合金包壳管可能会发生破裂，导致核泄漏。在2011年日本福岛核事故后，进一步提高锆合金包壳的事故容错能力成为新的研究热点。
发明内容
基于此，有必要针对上述问题，提供一种锆合金包壳及其制备方法、锆合金组件；该锆合金包壳具有良好的抗水蒸气氧化性能，事故容错性能优异。
一种锆合金包壳，所述锆合金包壳包括锆合金基底以及设置于锆合金基底表面的涂层，所述涂层包括过渡层、MAX相层和密封层，所述过渡层与所述锆合金基底表面贴合，所述MAX相层设置于所述过渡层表面，所述密封层设置于所述MAX相层表面，其中，所述密封层为硬质涂层。
在其中一个实施例中，所述硬质涂层包括TiAlN层、TiAlC层、CrAlC层中的至少一种。
在其中一个实施例中，所述密封层的厚度为0.6μm～1.5μm。
在其中一个实施例中，所述过渡层的厚度为0.5μm～1.5μm。
在其中一个实施例中，所述MAX相层的厚度为10μm～18μm。
在其中一个实施例中，所述过渡层包括TiC层。
在其中一个实施例中，所述MAX相层包括Ti2AlC层。
一种锆合金包壳的制备方法，包括以下步骤：
提供锆合金基底；
在所述锆合金基底表面形成过渡层；
在所述过渡层表面形成MAX相层；
在所述MAX相层表面形成密封层，得到锆合金包壳，其中，所述密封层为硬质涂层。
在其中一个实施例中，所述MAX相层的表面粗糙度为0.5～1.5。
一种锆合金组件，所述锆合金组件包括上述的锆合金包壳。
上述锆合金包壳的涂层由过渡层、MAX相层和密封层三层结构组成，可以有效提高涂层的抗氧化性能；同时，上述涂层可以有效防止水蒸气向锆合金基底扩散，避免水蒸气与锆合金基底反应而发生事故。所以，上述锆合金包壳具有良好的抗水蒸气氧化性能，从而有效提高了锆合金包壳的事故容错性能。
附图说明
图1为本发明锆合金包壳的结构示意图；
图2为本发明实施例1锆合金包壳的涂层的表面形貌图；
图3为本发明对比例1锆合金包壳的涂层的表面形貌图；
图4为本发明实施例1的锆合金包壳经1000℃氧化30min后的样品截面形貌图，图中，A为氧化层，B为涂层；
图5为本发明对比例1的锆合金包壳经1000℃氧化30min后的样品截面形貌图，图中，A为氧化层；
图6为本发明锆合金基底、实施例1和对比例1的锆合金包壳经1000℃氧化30min后的氧化增重图；
图7为本发明锆合金基底、实施例1和对比例1的锆合金包壳的力学性能对比图。
图中：10、锆合金基底；20、过渡层；30、MAX相层；40、密封层。
具体实施方式
以下将对本发明提供的锆合金包壳及其制备方法、锆合金组件作进一步说明。
如图1所示，为本发明提供的一实施方式的锆合金包壳，该锆合金包壳可以用作核燃料的密封外壳，是核电站的安全屏障，主要用于防止裂变产物逸散、避免燃料受冷却剂腐蚀以及有效地导出热能。
可以理解，图1为锆合金包壳的部分结构，为叠层设置结构。在事故容错条件下，锆合金包壳中的锆合金基底10会与水蒸气发生反应，产生氢气，而氢气聚集到一定浓度时如果不能释放或减压，就会发生爆炸。所以，本发明通过在锆合金基底10表面设置涂层，从而提高其抗水蒸气氧化性能，进而有效提高其事故容错性能。
具体的，所述锆合金包壳包括锆合金基底10以及设置于锆合金基底10表面的涂层，所述涂层包括过渡层20、MAX相层30和密封层40，所述过渡层20与所述锆合金基底10表面贴合，所述MAX相层30设置于所述过渡层20表面，所述密封层40设置于所述MAX相层30表面，其中，所述密封层40为硬质涂层。
在本发明的涂层中，MAX相层30是一种三元层状陶瓷层，具有金属材料优良的导电性和导热性，陶瓷材料高的弹性模量和高温强度，良好的抗辐照性能，以及出色的抗氧化性和抗腐蚀性能等。所以，MAX相层30具有良好的抗水蒸气氧化性能。
考虑到MAX相层30的抗氧化性能主要依靠连续致密的氧化膜，所以，所述MAX相层30优选为Ti2AlC层，厚度优选为10μm～18μm。
但是，MAX相层30的主要制备方法是物理气相沉积并结合退火处理的方法。而由于MAX相层30与锆合金基底10微观结构、力学性能以及热膨胀系数等的差异，使得MAX相层30中存在贯穿至锆合金基底10的微裂纹。在事故容错条件下，水蒸气同样可以通过微裂纹向锆合金基底10扩散，所以，还是容易造成事故的发生。
对此，本发明在MAX相层30上设置密封层40，且密封层40为硬质涂层。一方面，密封层40可以密封微裂纹，防止水蒸气向锆合金基底10扩散；另一方面，密封层40可以作为氧化缓冲层用于保护MAX相层30，防止MAX相层30在瞬时高温时遭到破坏，从而有效提高涂层在苛刻条件下的抗氧化效果。
虽然密封层40可以密封微裂纹以及作为氧化缓冲层提高涂层在苛刻条件下的抗氧化效果，但是，密封层40的设置会影响涂层的力学性能、抗辐照性能等。所以，所述密封层40优选包括TiAlN层、TiAlC层、CrAlC层中的至少一种。因为，以TiAlN层、TiAlC层或CrAlC层作为密封层40时，涂层元素与MAX相层30的元素相同，不会大幅度降低MAX相层30的抗辐照性能，同时利用以上硬质涂层作为密封层时，不会降低原有涂层的力学性能。
考虑到密封层40的密封效果以及其对涂层力学性能、抗辐照性能等的影响，优选的，所述密封层40的厚度为0.6μm～1.5μm。更优选的，所述密封层40的厚度为1μm，此时密封层40能起到较好的密封效果。
同时，在制备过程或者退火处理中，MAX相层30中的原子会向锆合金基底10中扩散，形成金属间化合物，严重影响MAX相层30与锆合金基底10之间的界面稳定性。如，当MAX相层30为Ti2AlC层时，Ti2AlC层中的Al会向锆合金基底10扩散并与锆形成Zr2Al3、Zr3Al2、Zr5Al4、Zr2Al和Zr3Al等金属间化合物；当MAX相层30为Ti3SiC2层时，Ti3SiC2层中的Si也容易向锆合金基底10扩散并与锆形成(Zr,Ti)Si、ZrSi2、ZrSi、Zr3Si2、Zr2Si、Zr3Si等金属间化合物。
所以，本发明在MAX相层30和锆合金基底10之间设置了过渡层20，以防止MAX相层中的原子(如Ti2AlC层中的Al、Ti3SiC2层中的Si)向锆合金基底10扩散，提高界面稳定性。
所述过渡层20包括TiC层。TiC层的热膨胀系数介于锆合金基底10与MAX相层30之间，因此，其不仅可以防止MAX相层中的原子向锆合金基底10扩散，还可以提高涂层与锆合金基底10的结合力，使涂层与锆合金基底10的兼容性更好。
考虑到过渡层20太薄无法起到防止MAX相层中的原子向锆合金基底10扩散的作用，但太厚又会影响涂层的力学性能、抗辐照性能等，优选的，所述过渡层20的厚度为0.5μm～1.5μm。进一步的，所述过渡层20的厚度为所述涂层的厚度的2％～15％，更优选的，所述过渡层20为所述涂层的厚度的10％，此时，MAX相层30与锆合金基底10之间的结合力更好。
本发明的锆合金包壳的涂层由过渡层、MAX相层和密封层三层结构组成，可以有效提高涂层的抗氧化性能。同时，本发明的涂层可以有效防止水蒸气向锆合金基底扩散，避免水蒸气与锆合金基底反应而发生事故。所以，本发明的锆合金包壳具有良好的抗水蒸气氧化性能，从而有效提高了锆合金包壳的事故容错性能。
本发明还提供一种锆合金包壳的制备方法，包括以下步骤：
S1，提供锆合金基底；
S2，在所述锆合金基底表面形成过渡层；
S3，在所述过渡层表面形成MAX相层；
S4，在所述MAX相层表面形成密封层，得到锆合金包壳，其中，所述密封层为硬质涂层。
步骤S1中，还包括去除所述锆合金基底表面的氧化物。如，将锆合金基底置于酒精中超声清洗后悬挂在真空镀膜腔体中的基架上，采用Ar离子束进行刻蚀，以去除锆合金基底表面的氧化物。
具体地，通入的氩气的流量为25标准毫升/分钟～40标准毫升/分钟，设置线性阳极离子源电流为0.1A～0.3A，锆合金基底上施加的偏压为-200V～-400V，刻蚀时间为30min-60min。
步骤S2中，可采用电弧离子镀方法沉积形成所述过渡层。如，当过渡层为TiC层时，采用电弧离子镀方法在锆合金基底表面沉积形成TiC层，其中，电弧靶为钛靶，反应气体为甲烷、乙炔等碳氢气体。
具体的，所述电弧靶的电流为55A～80A，腔体气压为25mTorr～40mTorr，所述锆合金基底上施加的偏压为-50V～-150V，反应气体的流量为40标准毫升/分钟～60标准毫升/分钟，沉积时间为5min～15min，沉积过程中基架在正对电弧靶的位置自转。
步骤S3中，MAX相层的形成过程分为两个阶段，第一阶段为形成预制层，第二阶段为将预制层进行退火处理，形成MAX相层。
其中，第一阶段可采用电弧复合磁控溅射方法沉积形成所述预制层。如，当MAX相层为Ti2AlC层时，可先采用电弧复合磁控溅射方法沉积形成所述Ti-Al-C预制层，其中，电弧靶为Ti靶，磁控靶为Al靶，反应气体为甲烷、乙炔等碳氢气体，且沉积过程中基架在正对磁控靶的位置自转，靶基距为10cm～15cm。
具体的，所述电弧靶的电流为50A～80A，磁控靶功率为2.5kW～3.5kW，所述锆合金基底上施加的偏压为-50V～-250V，反应气体的流量为10标准毫升/分钟～20标准毫升/分钟，反应气体与氩气的流量比为1:10～1:20，腔体压力为25mTorr～40mTorr。
第二阶段的退火处理中，升温速率为3℃/min～8℃/min，退火处理的温度为550℃～750℃，时间为1h～100h。
优选的，在退火处理形成MAX相层后，进一步对MAX相层进行打磨，去除MAX相层表面的大颗粒，使MAX相层的表面粗糙度保持在0.5～1.5的范围内。因为，MAX相层表面表面粗糙度过大，不利于密封层的沉积。而且，MAX相层表面的大颗粒往往是容易被腐蚀氧化的位点，去除大颗粒可以有效提高涂层的抗氧化性能。
步骤S4中，可采用电弧离子镀方法沉积形成所述密封层。如，当密封层为TiAlN层时，采用电弧离子镀方法沉积形成TiAlN层，其中，电弧靶为钛铝靶，反应气体包括氮气，沉积过程中基架在正对电弧靶的位置自转。
具体的，所述钛铝靶中钛元素和铝元素的配比为1:1～3:1，所述电弧靶的电流为50A～70A，所述锆合金上施加的偏压为-50V～-150V，腔体气压为25mTorr～40mTorr；反应气体的流量为400标准毫升/分钟～600标准毫升/分钟。
本发明锆合金包壳中的涂层的制备工艺可控，获得的涂层质量可靠，且与锆合金基底的兼容性好，制备过程中对界面的影响小，有利于提高界面稳定性。
本发明还提供一种锆合金组件，所述锆合金组件包括上述的锆合金包壳。
所以，将本发明的锆合金包壳用于锆合金组件时，可有效提高安全性。
以下，将通过以下具体实施例对所述锆合金包壳及其制备方法、锆合金组件做进一步的说明。
实施例1：
将锆合金基底置于酒精中超声清洗后悬挂在真空镀膜腔体中的基架上，采用Ar离子束进行刻蚀，以去除锆合金基底表面的氧化物。其中，通入的氩气的流量为35标准毫升/分钟，设置线性阳极离子源电流为0.2A，锆合金基底上施加的偏压为-300V，刻蚀时间为40min。
采用电弧离子镀方法在锆合金基底表面沉积形成TiC层，其中，电弧靶为钛靶，反应气体为甲烷，沉积过程中基架在正对电弧靶的位置自转。电弧靶的电流为60A，锆合金基底上施加的偏压为-100V，氩气流量为200标准毫升/分钟，甲烷流量为50标准毫升/分钟，控制腔体气压为30mtorr，沉积得到的TiC层的厚度为1.0μm。
采用电弧复合磁控溅射方法在TiC层上沉积形成Ti-Al-C层，沉积过程中基架在正对磁控靶的位置自转，靶基距为12cm，其中，电弧靶为Ti靶，磁控靶为Al靶，反应气体为甲烷。同时开启电弧源与磁控源，设置电弧靶的电流60A，磁控靶的功率为3.0kW，甲烷的流量为15标准毫升/分钟，甲烷与氩气的流量比为1:20，控制腔体气压为30mtorr，锆合金基底上施加的偏压为-200V，沉积的温度为室温，沉积时间为2h，得到的Ti-Al-C层的厚度为12μm。
将沉积形成Ti-Al-C层后的预制品从真空镀膜腔体中取出，放入真空退火炉进行真空热退火制备Ti2AlC层，其中，升温速率为5℃/min，退火温度为600℃，保温时间为50h。
将预制品取出后，采用砂纸对表面进行轻微打磨，去除涂层表面沉积的大颗粒，使Ti2AlC层的表面粗糙度为0.5。
将打磨后的预制品重新放入真空镀膜腔体中，采用电弧离子镀方法沉积形成TiAlN层。其中，电弧靶为钛铝靶，钛铝靶中钛原子和铝原子的原子比为1:1，反应气体为氮气，沉积过程中基架在正对电弧靶的位置自转。设置氮气的流量为500标准毫升/分钟，控制腔体气压为30mtorr，电弧靶的电流为60A，锆合金基底上施加的偏压为-100V，沉积时间为10min，得到的TiAlN层的厚度为1μm。取出后得到最终的锆合金包壳。
对比例1：
对比例1与实施例1的区别在于，对比例1得到Ti2AlC层并且用砂纸打磨至粗糙度为0.5后，没有进一步沉积TiAlN密封层。
如图2所示，实施例1中的涂层表面不存在微裂纹。而如图3所示，对比例1的涂层表面存在明显的微裂纹，所以，TiAlN层可以有效封闭涂层的微裂纹。
分别将实施例1和对比例1的锆合金包壳置于1000℃的水蒸气中氧化30min。如图4所示，实施例1的氧化层厚度为11.6μm，涂层剩余厚度为4.9μm。如图5所示，整个涂层部分全部已经被氧化，并且锆合金基底也发生了轻微的氧化。所以，TiAlN层作为密封层密封微裂纹和氧化缓冲层保护MAX相层，可有效提高涂层在苛刻条件下的抗氧化效果。
如图6所示，Ti2AlC层的涂覆使得锆合金基底在氧化过程中的氧化增重减小，经TiAlN层密封后，氧化增重进一步减小，所以，该实施例的锆合金包壳具有优异的抗水蒸气氧化性能。
如图7所示，Ti2AlC层的涂覆可以提高锆合金基底的硬度和弹性模量，经TiAlN密封后，硬度和弹性模量进一步提高，所以，该实施例的锆合金包壳具有优异的力学性能。
实施例2：
将锆合金基底置于酒精中超声清洗后悬挂在真空镀膜腔体中的基架上，采用Ar离子束进行刻蚀，以去除锆合金基底表面的氧化物。其中，通入的氩气的流量为25标准毫升/分钟，设置线性阳极离子源电流为0.1A，锆合金基底上施加的偏压为-350V，刻蚀时间为60min。
采用电弧离子镀方法在锆合金基底表面沉积形成TiC层，其中，电弧靶为钛靶，反应气体为甲烷，沉积过程中基架在正对电弧靶的位置自转。电弧靶的电流为55A，氩气流量为200标准毫升/分钟，锆合金基底上施加的偏压为-150V，甲烷流量为50标准毫升/分钟，控制腔体气压为30mtorr，沉积得到的TiC层的厚度为0.5μm。
采用电弧复合磁控溅射方法在TiC层上沉积形成Ti-Al-C层，沉积过程中基架在正对磁控靶的位置自转，靶基距为12cm，其中，电弧靶为Ti靶，磁控靶为Al靶，反应气体为甲烷。同时开启电弧源与磁控源，设置电弧靶的电流50A，磁控靶的功率为2.5kW，甲烷的流量为10标准毫升/分钟，甲烷与氩气的流量比为1:20，控制腔体气压为30mtorr，锆合金基底上施加的偏压为-50V，沉积的温度为室温，沉积时间为2h，得到的Ti-Al-C层的厚度为10μm。
将沉积形成Ti-Al-C层后的预制品从真空镀膜腔体中取出，放入真空退火炉进行真空热退火制备Ti2AlC层，其中，升温速率为5℃/min，退火温度为600℃，保温时间为50h。
将预制品取出后，采用砂纸对表面进行轻微打磨，去除涂层表面沉积的大颗粒，使Ti2AlC层的表面粗糙度为0.5。
将打磨后的预制品重新放入真空镀膜腔体中，采用电弧离子镀方法沉积形成TiAlN层。其中，电弧靶为钛铝靶，钛铝靶中钛原子和铝原子的原子比为1:1，反应气体为氮气，沉积过程中基架在正对电弧靶的位置自转。氮气的流量为400标准毫升/分钟，控制腔体气压为30mtorr，电弧靶的电流为50A，锆合金基底上施加的偏压为-100V，沉积时间为10min，得到的TiAlN层的厚度为0.6μm。取出后得到最终的锆合金包壳。
对比例2：
对比例2与实施例2的区别在于，对比例3得到Ti2AlC层并且打磨后，没有进一步沉积TiAlN密封层。
分别将实施例2和对比例3的锆合金包壳置于1000℃的水蒸气中氧化10min。结果表明，实施例2的涂层没有发生明显的氧化，对比例3中氧化层的厚度为1.0μm。
实施例3：
将锆合金基底置于酒精中超声清洗后悬挂在真空镀膜腔体中的基架上，采用Ar离子束进行刻蚀，以去除锆合金基底表面的氧化物。其中，通入的氩气的流量为35标准毫升/分钟，设置线性阳极离子源电流为0.3A，锆合金基底上施加的偏压为-50V，刻蚀时间为30min。
采用电弧离子镀方法在锆合金基底表面沉积形成TiC层，其中，电弧靶为钛靶，反应气体为甲烷，沉积过程中基架在正对电弧靶的位置自转。电弧靶的电流为80A，氩气流量为200标准毫升/分钟，锆合金基底上施加的偏压为-50V，甲烷流量为50标准毫升/分钟，控制腔体气压为30mtorr，沉积得到的TiC层的厚度为1.5μm。
采用电弧复合磁控溅射方法在TiC层上沉积形成Ti-Al-C层，沉积过程中基架在正对磁控靶的位置自转，靶基距为12cm，其中，电弧靶为Ti靶，磁控靶为Al靶，反应气体为甲烷。同时开启电弧源与磁控源，设置电弧靶的电流80A，磁控靶的功率为3.5kW，甲烷的流量为20标准毫升/分钟，甲烷与氩气的流量比为1:20，控制腔体气压为30mtorr，锆合金基底上施加的偏压为-50V，沉积的温度为室温，沉积时间为2h，得到的Ti-Al-C层的厚度为15μm。
将沉积形成Ti-Al-C层后的预制品从真空镀膜腔体中取出，放入真空退火炉进行真空热退火制备Ti2AlC层，其中，升温速率为5℃/min，退火温度为600℃，保温时间为50h。
将预制品取出后，采用砂纸对表面进行轻微打磨，去除涂层表面沉积的大颗粒，使Ti2AlC层的表面粗糙度为1.5。
将打磨后的预制品重新放入真空镀膜腔体中，采用电弧离子镀方法沉积形成TiAlN层。其中，电弧靶为钛铝靶，钛铝靶中钛原子和铝原子的原子比为1:1，反应气体为氮气，沉积过程中基架在正对电弧靶的位置自转。氮气的流量为600标准毫升/分钟，控制腔体气压为30mtorr，电弧靶的电流为80A，锆合金基底上施加的偏压为-150V，沉积时间为10min，得到的TiAlN层的厚度为1.5μm。取出后得到最终的锆合金包壳。
对比例3：
对比例3与实施例3的区别在于，对比例3得到Ti2AlC层后，没有进一步沉积TiAlN密封层。
分别将实施例3和对比例4的锆合金包壳置于1000℃的水蒸气中氧化20min。结果表明，实施例3的氧化层厚度为4.4μm，涂层剩余厚度为11.2μm，对比例3中氧化层厚度为6.6μm，涂层剩余厚度为9.2μm。
实施例4：
将锆合金基底置于酒精中超声清洗后悬挂在真空镀膜腔体中的基架上，采用Ar离子束进行刻蚀，以去除锆合金基底表面的氧化物。其中，通入的氩气的流量为35标准毫升/分钟，设置线性阳极离子源电流为0.2A，锆合金基底上施加的偏压为-300V，刻蚀时间为40min。
采用电弧离子镀方法在锆合金基底表面沉积形成TiC层，其中，电弧靶为钛靶，反应气体为甲烷，沉积过程中基架在正对电弧靶的位置自转。电弧靶的电流为60A，锆合金基底上施加的偏压为-100V，氩气流量为200标准毫升/分钟，甲烷流量为40标准毫升/分钟，控制腔体气压为30mtorr，沉积得到的TiC层的厚度为1.0μm。
采用电弧复合磁控溅射方法在TiC层上沉积形成Ti-Al-C层，沉积过程中基架在正对磁控靶的位置自转，靶基距为12cm，其中，电弧靶为Ti靶，磁控靶为Al靶，反应气体为甲烷。同时开启电弧源与磁控源，设置电弧靶的电流60A，磁控靶的功率为3.0kW，甲烷的流量为15标准毫升/分钟，甲烷与氩气的流量比为1:10，控制腔体气压为30mtorr，锆合金基底上施加的偏压为-200V，沉积的温度为室温，沉积时间为2h，得到的Ti-Al-C层的厚度为18μm。
将沉积形成Ti-Al-C层后的预制品从真空镀膜腔体中取出，放入真空退火炉进行真空热退火制备Ti2AlC层，其中，升温速率为5℃/min，退火温度为600℃，保温时间为50h。
将预制品取出后，采用砂纸对表面进行轻微打磨，去除涂层表面沉积的大颗粒，使Ti2AlC层的表面粗糙度为0.5。
将打磨后的预制品重新放入真空镀膜腔体中，采用电弧离子镀方法沉积形成TiAlC层。其中，电弧靶为钛铝靶，钛铝靶中钛原子和铝原子的原子比为3:1，反应气体为氮气，沉积过程中基架在正对电弧靶的位置自转。氮气的流量为500标准毫升/分钟，控制腔体气压为30mtorr，电弧靶的电流为60A，锆合金基底上施加的偏压为-100V，沉积时间为10min，得到的TiAlC层的厚度为1μm。取出后得到最终的锆合金包壳。
实施例5：
将锆合金基底置于酒精中超声清洗后悬挂在真空镀膜腔体中的基架上，采用Ar离子束进行刻蚀，以去除锆合金基底表面的氧化物。其中，通入的氩气的流量为35标准毫升/分钟，设置线性阳极离子源电流为0.2A，锆合金基底上施加的偏压为-300V，刻蚀时间为40min。
采用电弧离子镀方法在锆合金基底表面沉积形成TiC层，其中，电弧靶为钛靶，反应气体为甲烷，沉积过程中基架在正对电弧靶的位置自转。电弧靶的电流为60A，锆合金基底上施加的偏压为-100V，氩气流量为200标准毫升/分钟，甲烷流量为60标准毫升/分钟，控制腔体气压为30mtorr，沉积得到的TiC层的厚度为1.0μm。
采用电弧复合磁控溅射方法在TiC层上沉积形成Ti-Al-C层，沉积过程中基架在正对磁控靶的位置自转，靶基距为12cm，其中，电弧靶为Ti靶，磁控靶为Al靶，反应气体为甲烷。同时开启电弧源与磁控源，设置电弧靶的电流60A，磁控靶的功率为3.0kW，甲烷的流量为15标准毫升/分钟，甲烷与氩气的流量比为1:20，控制腔体气压为30mtorr，锆合金基底上施加的偏压为-200V，沉积的温度为室温，沉积时间为2h，得到的Ti-Al-C层的厚度为12μm。
将沉积形成Ti-Al-C层后的预制品从真空镀膜腔体中取出，放入真空退火炉进行真空热退火制备Ti2AlC层，其中，升温速率为5℃/min，退火温度为600℃，保温时间为50h。
将预制品取出后，采用砂纸对表面进行轻微打磨，去除涂层表面沉积的大颗粒，使Ti2AlC层的表面粗糙度为1。
将打磨后的预制品重新放入真空镀膜腔体中，采用电弧离子镀方法沉积形成TiAlC层。其中，电弧靶为铬铝靶，铬铝靶中钛原子和铝原子的原子比为1:1，反应气体为氮气，沉积过程中基架在正对电弧靶的位置自转。氮气的流量为500标准毫升/分钟，控制腔体气压为30mtorr，电弧靶的电流为60A，锆合金基底上施加的偏压为-100V，沉积时间为10min，得到的CrAlC层的厚度为1μm。取出后得到最终的锆合金包壳。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种锆合金包壳，其特征在于，所述锆合金包壳包括锆合金基底以及设置于锆合金基底表面的涂层，所述涂层包括过渡层、MAX相层和密封层，所述过渡层与所述锆合金基底表面贴合，所述MAX相层设置于所述过渡层表面，所述密封层设置于所述MAX相层表面，其中，所述密封层为硬质涂层，所述硬质涂层包括TiAlN层、TiAlC层、CrAlC层中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的锆合金包壳，其特征在于，所述密封层的厚度为0.6μm～1.5μm。
3.根据权利要求1所述的锆合金包壳，其特征在于，所述过渡层的厚度为0.5μm～1.5μm。
4.根据权利要求1所述的锆合金包壳，其特征在于，所述MAX相层的厚度为10μm~18μm。
5.根据权利要求1所述的锆合金包壳，其特征在于，所述过渡层包括TiC层。
6.根据权利要求1所述的锆合金包壳，其特征在于，所述MAX相层包括Ti2AlC层。
7.一种锆合金包壳的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供锆合金基底；
在所述锆合金基底表面形成过渡层；
在所述过渡层表面形成MAX相层；
在所述MAX相层表面形成密封层，得到锆合金包壳，其中，所述密封层为硬质涂层，所述硬质涂层包括TiAlN层、TiAlC层、CrAlC层中的至少一种。
8.根据权利要求7所述的锆合金包壳的制备方法，其特征在于，所述MAX相层的表面粗糙度为0.5~1.5。
9.一种锆合金组件，其特征在于，所述锆合金组件包括权利要求1~6任一项所述的锆合金包壳。
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Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111172503B (zh) * 2019-12-26 2021-04-27 西安交通大学 一种锆合金包壳表面多层复合涂层及其制备方法
CN113249694B (zh) * 2021-05-12 2022-03-15 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 溅射内镀黑腔及其制备方法
CN113235062B (zh) * 2021-07-12 2021-09-24 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种max相多层复合涂层及其制备方法与应用
CN114438493A (zh) * 2021-11-08 2022-05-06 上海核工程研究设计院有限公司 一种核电厂锆合金包壳管表面用抗高温水蒸气腐蚀涂层及其制备方法
CN115974557B (zh) * 2022-10-10 2023-08-15 哈尔滨理工大学 一种基于ZrSi-Ti3SiC2的高韧性复合陶瓷及其制备方法和应用
CN116161979B (zh) * 2023-02-24 2023-12-08 哈尔滨工业大学 一种Ti-Al-C系MAX相陶瓷与锆合金连接的方法
CN117305805A (zh) * 2023-09-27 2023-12-29 上海交通大学 基于纳米金刚石涂层的核燃料包壳改性方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105405474A (zh) * 2015-11-02 2016-03-16 西北工业大学 具备抗裂纹扩展能力的核燃料包壳管的结构及制备方法
CN106460194A (zh) * 2014-05-27 2017-02-22 西屋电气有限责任公司 在用于核电应用的锆合金上沉积包括含金属和含铬的层的防护性涂层
JP2017527816A (ja) * 2014-09-17 2017-09-21 コミサーリャ ア レナジー アトミック エー オー エナジー アルタナティブＣｏｍｍｉｓｓａｒｉａｔ Ａ Ｌ’Ｅｎｅｒｇｉｅ Ａｔｏｍｉｑｕｅ Ｅｔ Ａｕｘ Ｅｎｅｒｇｉｅｓ Ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅｓ 核燃料被覆管、その作製方法および酸化／水素化を防ぐその使用
CN107799185A (zh) * 2017-09-13 2018-03-13 中广核研究院有限公司 燃料包壳及燃料组件
WO2018060643A1 (fr) * 2016-09-28 2018-04-05 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Composant nucléaire avec revetement de cr metastable, procédé de fabrication par dli-mocvd et utilisations contre l'oxydation/hydruration
CN108290387A (zh) * 2015-12-02 2018-07-17 西屋电气有限责任公司 具有高温密封性和容灾性的多层复合燃料包壳系统
CN108728793A (zh) * 2018-06-16 2018-11-02 江西省科学院应用物理研究所 一种强韧耐蚀CrAlN/Cr2AlC多层膜涂层及其制备方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106460194A (zh) * 2014-05-27 2017-02-22 西屋电气有限责任公司 在用于核电应用的锆合金上沉积包括含金属和含铬的层的防护性涂层
JP2017527816A (ja) * 2014-09-17 2017-09-21 コミサーリャ ア レナジー アトミック エー オー エナジー アルタナティブＣｏｍｍｉｓｓａｒｉａｔ Ａ Ｌ’Ｅｎｅｒｇｉｅ Ａｔｏｍｉｑｕｅ Ｅｔ Ａｕｘ Ｅｎｅｒｇｉｅｓ Ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅｓ 核燃料被覆管、その作製方法および酸化／水素化を防ぐその使用
CN105405474A (zh) * 2015-11-02 2016-03-16 西北工业大学 具备抗裂纹扩展能力的核燃料包壳管的结构及制备方法
CN108290387A (zh) * 2015-12-02 2018-07-17 西屋电气有限责任公司 具有高温密封性和容灾性的多层复合燃料包壳系统
WO2018060643A1 (fr) * 2016-09-28 2018-04-05 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Composant nucléaire avec revetement de cr metastable, procédé de fabrication par dli-mocvd et utilisations contre l'oxydation/hydruration
CN107799185A (zh) * 2017-09-13 2018-03-13 中广核研究院有限公司 燃料包壳及燃料组件
CN108728793A (zh) * 2018-06-16 2018-11-02 江西省科学院应用物理研究所 一种强韧耐蚀CrAlN/Cr2AlC多层膜涂层及其制备方法

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