CN112063955A - 一种提高锆合金表面高温力学性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高锆合金表面高温力学性能的方法，属于核结构材料领域。本发明所述方法利用热喷涂在锆合金表面制备涂层来提高锆合金高温力学性能，涂层各原料及其重量份数为：金属相15～25重量份、陶瓷相75～85重量份；所述金属相为Ni、Co、NiCrAl和CoCrAl中的一种；所述陶瓷相为MoB、ZrB2、CrB2、HfB2和TiB2中的一种。本发明所述金属陶瓷涂层为在陶瓷相中均匀弥散分布着金属相，金属相充分熔化，对陶瓷相润湿性好，但两者之间没有发生化学反应，陶瓷相颗粒保持原有形状和结构，涂层致密，涂层的显微硬度可达1520(HV)，是力学性能优异的高温涂层。本发明所述方法制备的涂层成本低，涂层具有大的中子吸收截面，是很好的中子吸收与屏蔽涂层材料，适用于核反应堆核结构材料使用，制造工艺简单，可高通量制备。
Description
技术领域
本发明涉及一种提高锆合金表面高温力学性能的方法，属于核结构材料领域。
背景技术
目前全球95％以上的在运商业核电站，在二氧化铀-锆燃料系统中普遍采用锆合金管作为包壳材料，容易在极端条件下出现严重问题。如1979年的美国“三里岛核事故”以及2011年的日本“福岛核事故”均出现了在高温下锆合金包壳力学性能不足导致失效。锆合金在300～400℃高温高压水和蒸汽中有很好的抗腐蚀性能，在堆内有相当好的抗中子辐照性能。但是发展具有优异高温力学性能的事故容错燃料已经成为当今世界核电安全亟待攻克的关键技术之一和重点发展方向。
在锆合金表面制备涂层是提升锆合金表面高温力学性能、耐事故能力、简便易行且经济的方法，适当的涂层可避免事故工况下提高锆合金表面高温力学性能，对锆合金表面的热机械行为影响较小，不会显著改变堆芯中子物理性能，还有望改善锆合金的传热特性。同时，涂层也能降低锆合金在正常运行工况下的腐蚀速率，从而延长燃料元件寿期，降低燃料运行成本。因此，开发锆合金涂层技术对提高锆合金表面高温力学性能长寿期及耐事故核电燃料的发展具有重大的意义；针对上述亟待攻克的关键技术，需要一种低成本、工艺简单、高通量的方法来提高锆合金表面高温力学性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高锆合金表面高温力学性能的方法，利用热喷涂在锆合金表面制备涂层来提高锆合金表面高温力学性能，解决了锆合金在核动力反应堆服役时高温力学性能不足造成锆合金失效的问题。
本发明金属陶瓷涂层的显微结构为：在金属相(Ni、Co、NiCrAl和CoCrAl)中均匀弥散分布着陶瓷相(MoB、ZrB2、CrB2、HfB2和TiB2)；金属相充分熔化，对陶瓷相润湿性好，但两者之间没有发生化学反应，陶瓷相颗粒保持原有形状和结构，涂层致密，涂层的显微硬度可达1520(HV)，所述涂层具有大的中子吸收截面，是很好的中子吸收与屏蔽材料；是力学性能优异的高温涂层。
本发明所述涂层由以下原料通过热喷涂制备得到，各原料及其重量份数为：金属相15～25重量份、陶瓷相75～85重量份。
所述金属相为Ni、Co、NiCrAl和CoCrAl中的一种；
所述陶瓷相为MoB、ZrB2、CrB2、HfB2和TiB2中的一种。
本发明的另一目的在于提供所述提高锆合金表面高温力学性能的方法的制备工艺，具体包括以下步骤：
(1)分别称取金属相和陶瓷相，采用机械合金化法，将金属相与陶瓷相在高能球磨机中球磨，制成包覆复合粉末，选取粒度范围为40～70μm的陶瓷包覆金属复合粉末。
(2)将待喷涂基体表面进行喷砂粗糙处理和清洁处理。
(3)将步骤(1)中得到的陶瓷包覆金属复合粉末送入喷涂设备的送粉器内，利用等离子喷涂设备在步骤(2)的预处理基体表面进行涂层喷涂，对所得到的涂层材料提高锆合金表面高温力学性能。
优选的，本发明所述金属相粉末的粒度分散在35～55μm之间，粉末表层光洁且保持良好的球形；陶瓷相粉末微观形貌各异，其粒度大小为20～40μm左右。
优选的，本发明所述陶瓷包覆金属复合粉末制备的条件为：将金属相粉未和陶瓷相粉末按照比例进行均匀混合并在高能球磨机中进行研磨；先将混合粉未和磨球在球磨前放在70～90℃真空干燥箱里干燥5～7h；在高能球磨机中，通过氩气保护，球磨以120～150rpm的转速，120～140分钟的总研磨时间和10:1的球料比进行。
优选的，本发明等离子喷涂的条件为：喷涂电流为650～700A、喷涂电压为55～60V、喷涂距离为80～100mm、送粉电压为7～9V。
本发明步骤(2)中对基体表面进行的喷砂处理为常规的热喷涂粗糙化处理，为了增加后续涂层制备过程中的沉积率。
本发明的原理：本发明利用热喷涂在锆合金表面制备金属陶瓷涂层，所属涂层结构为金属相(Ni、Co、NiCrAl和CoCrAl)中均匀弥散分布着陶瓷相(MoB、ZrB2、CrB2、HfB2和TiB2)；金属相充分熔化，对陶瓷相润湿性好，但两者之间没有发生化学反应，陶瓷相颗粒保持原有形状和结构；涂层结构致密，涂层的显微硬度可达1520(HV)，涂层具有大的中子吸收截面，是很好的中子吸收与屏蔽材料；是力学性能优异的高温涂层。
本发明的有益效果：
(1)本发明所述方法制备工艺简单、利用热喷涂在锆合金表面制备涂层来提高锆合金表面高温力学性能，解决了锆合金在核动力反应堆服役时高温力学性能不足造成锆合金失效的问题。
(2)本发明所述金属陶瓷涂层的显微结构为：在金属相(Ni、Co、NiCrAl和CoCrAl)中均匀弥散分布着陶瓷相(MoB、ZrB2、CrB2、HfB2和TiB2)；金属相充分熔化，对陶瓷相润湿性好，但两者之间没有发生化学反应，陶瓷相颗粒保持原有形状和结构；涂层结构致密，涂层的显微硬度可达1520(HV)，涂层具有大的中子吸收截面，是很好的中子吸收与屏蔽材料；是力学性能优异的高温涂层。
附图说明
图1为本发明所述涂层截面结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
一种提高锆合金表面高温力学性能的方法，具体步骤如下：
(1)称取粒度分散在35～55μm之间的金属相Ni粉末15g和粒度大小为20～40μm的陶瓷相MoB粉末85g，先将混合粉未和磨球在球磨前放在70℃真空干燥箱里干燥7h，在高能球磨机中，通过氩气保护，球磨以120rpm的转速，120分钟的总研磨时间和10:1的球料比进行研磨，制成包覆复合粉末，选取粒度范围为40～70μm的陶瓷包覆金属复合粉末。
(2)将待喷涂基体表面进行喷砂粗糙处理和清洁处理。
(3)将步骤(1)中得到的陶瓷包覆金属复合粉末送入喷涂设备的送粉器内，利用等离子喷涂设备在步骤(2)的预处理基体表面进行涂层喷涂，其中，等离子喷涂的条件为：喷涂电流为650A、喷涂电压为55V、喷涂距离为80mm、送粉电压为7V，对所得到的涂层材料提高锆合金表面高温力学性能。
通过显微硬度计测得涂层硬度可达1420(HV)，1200℃涂层断裂韧性可达9.1MPa·m1/2。
实施例2
一种提高锆合金表面高温力学性能的方法，具体步骤如下：
(1)称取粒度分散在35～55μm之间的金属相Co粉末25g和粒度大小为20～40μm的陶瓷相ZrB2粉末75g，先将混合粉未和磨球在球磨前放在90℃真空干燥箱里干燥5h，在高能球磨机中，通过氩气保护，球磨以150rpm的转速，140分钟的总研磨时间和10:1的球料比进行研磨，制成包覆复合粉末，选取粒度范围为40～70μm的陶瓷包覆金属复合粉末。
(2)将待喷涂基体表面进行喷砂粗糙处理和清洁处理。
(3)将步骤(1)中得到的陶瓷包覆金属复合粉末送入喷涂设备的送粉器内，利用等离子喷涂设备在步骤(2)的预处理基体表面进行涂层喷涂，其中，等离子喷涂的条件为：喷涂电流为700A、喷涂电压为60V、喷涂距离为100mm、送粉电压为9V，对所得到的涂层材料提高锆合金表面高温力学性能。
通过显微硬度计测得涂层硬度可达1420(HV)，1200℃涂层断裂韧性可达
7.9MPa·m1/2。实施例3
一种提高锆合金表面高温力学性能的方法，具体步骤如下：
(1)称取粒度分散在35～55μm之间的金属相NiCrAl粉末20g和粒度大小为20～40μm的陶瓷相HfB2粉末80g，先将混合粉未和磨球在球磨前放在80℃真空干燥箱里干燥6h，在高能球磨机中，通过氩气保护，球磨以130rpm的转速，130分钟的总研磨时间和10:1的球料比进行研磨，制成包覆复合粉末，选取粒度范围为40～70μm的陶瓷包覆金属复合粉末。
(2)将待喷涂基体表面进行喷砂粗糙处理和清洁处理。
(3)将步骤(1)中得到的陶瓷包覆金属复合粉末送入喷涂设备的送粉器内，利用等离子喷涂设备在步骤(2)的预处理基体表面进行涂层喷涂，其中，等离子喷涂的条件为：喷涂电流为675A、喷涂电压为57V、喷涂距离为90mm、送粉电压为8V，对所得到的涂层材料提高锆合金表面高温力学性能。
通过显微硬度计测得涂层硬度可达1450(HV)，1200℃涂层断裂韧性可达8.4MPa·m1/2。
实施例4
一种提高锆合金表面高温力学性能的方法，具体步骤如下：
(1)称取粒度分散在35～55μm之间的金属相CoCrAl粉末18g和粒度大小为20～40μm的陶瓷相TiB2粉末82g，先将混合粉未和磨球在球磨前放在70℃真空干燥箱里干燥7h，在高能球磨机中，通过氩气保护，球磨以120rpm的转速，120分钟的总研磨时间和10:1的球料比进行研磨，制成包覆复合粉末，选取粒度范围为40～70μm的陶瓷包覆金属复合粉末。
(2)将待喷涂基体表面进行喷砂粗糙处理和清洁处理。
(3)将步骤(1)中得到的陶瓷包覆金属复合粉末送入喷涂设备的送粉器内，利用等离子喷涂设备在步骤(2)的预处理基体表面进行涂层喷涂，其中，等离子喷涂的条件为：喷涂电流为650A、喷涂电压为55V、喷涂距离为80mm、送粉电压为7～9V，对所得到的涂层材料提高锆合金表面高温力学性能。
通过显微硬度计测得涂层硬度可达1410(HV)，1200℃涂层断裂韧性可达9.4MPa·m1/2。
实施例5
一种提高锆合金表面高温力学性能的方法，具体步骤如下：
(1)称取粒度分散在35～55μm之间的金属相Ni粉末10g和粒度大小为20～40μm的陶瓷相CrB2粉末90g，先将混合粉未和磨球在球磨前放在90℃真空干燥箱里干燥5h，在高能球磨机中，通过氩气保护，球磨以150rpm的转速，140分钟的总研磨时间和10:1的球料比进行研磨，制成包覆复合粉末，选取粒度范围为40～70μm的陶瓷包覆金属复合粉末。
(2)将待喷涂基体表面进行喷砂粗糙处理和清洁处理。
(3)将步骤(1)中得到的陶瓷包覆金属复合粉末送入喷涂设备的送粉器内，利用等离子喷涂设备在步骤(2)的预处理基体表面进行涂层喷涂，其中，等离子喷涂的条件为：喷涂电流为700A、喷涂电压为60V、喷涂距离为100mm、送粉电压为9V，对所得到的涂层材料提高锆合金表面高温力学性能。
通过显微硬度计测得涂层硬度可达1390(HV)，1200℃涂层断裂韧性可达7.9MPa·m1/2。
Claims (5)
1.一种提高锆合金表面高温力学性能的方法，其特征在于：采用热喷涂在锆合金表面制备涂层，所述涂层由以下原料通过热喷涂制备得到，各原料及其重量份数为：金属相15～25重量份、陶瓷相75～85重量份；
所述金属相为Ni、Co、NiCrAl和CoCrAl中的一种；
所述陶瓷相为MoB、ZrB2、CrB2、HfB2和TiB2中的一种。
2.权利要求1所述提高锆合金表面高温力学性能的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
(1)分别称取金属相和陶瓷相，采用机械合金化法，将金属相与陶瓷相在高能球磨机中球磨，制成包覆复合粉末，选取粒度范围为40～70μm的陶瓷包覆金属复合粉末；
(2)将待喷涂基体表面进行喷砂粗糙处理和清洁处理；
(3)将步骤(1)中得到的陶瓷包覆金属复合粉末送入喷涂设备的送粉器内，利用等离子喷涂设备在步骤(2)的预处理基体表面进行涂层喷涂，对所得到的涂层材料提高锆合金表面高温力学性能。
3.根据权利要求2所述提高锆合金表面高温力学性能的方法，其特征在于：金属相粉末的粒度为35～55μm，粉末表层光洁且保持球形；陶瓷相粉末微观形貌各异，其粒度大小为20～40μm。
4.根据权利要求2所述提高锆合金表面高温力学性能的方法，其特征在于：陶瓷包覆金属复合粉末制备的条件为：将金属相粉未和陶瓷相粉末按照比例进行均匀混合并在高能球磨机中进行研磨；先将混合粉未和磨球在球磨前放在70～90℃真空干燥箱里干燥5～7h；在高能球磨机中，通过氩气保护，球磨以120～150rpm的转速，120～140分钟的总研磨时间和10:1的球料比进行。
5.根据权利要求2所述提高锆合金表面高温力学性能的方法，其特征在于：等离子喷涂的条件为：喷涂电流为650～700A、喷涂电压为55～60V、喷涂距离为80～100mm、送粉电压为7～9V。
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