CN113430488B - 一种核反应堆燃料包壳纳米复合涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种核反应堆燃料包壳纳米复合涂层及其制备方法，涉及纳米复合涂层技术领域。所述纳米复合涂层包括在核燃料包壳表面依次叠层设置的金属层、第一过渡层、第二过渡层及功能层；所述金属层的成分为Cr；所述第一过渡层的成分为CrN；所述第二过渡层的成分为CrCN；所述功能层的成分为CrTiSiCN。本发明提供的涂层具有良好结合力，通过降低涂层中N元素含量，引入C元素，一方面提高燃料包壳的中子经济性，另一方面获得高表面硬度和低摩擦系数的C单质相，并达到强减摩耐磨及高导热效果。

Description

一种核反应堆燃料包壳纳米复合涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及纳米复合涂层技术领域，具体涉及一种核反应堆燃料包壳纳米复合涂层及其制备方法。
背景技术
核能作为一种绿色清洁高效能源，既能够增加能源供应、优化能源结构，同时能大大减少温室气体和污染气体的排放，在我国能源构成中已成为不可或缺的重要组成部分，未来也应该将发展核电作为中国能源战略的重点。压水堆用轻水做冷却剂和慢化剂，压水堆堆芯置于一个圆筒形压力容器内。燃料元件用锆合金管做包壳，内装二氧化铀芯块。锆合金包壳作为反应堆堆芯放射性的第一道屏障，具有低中子吸收截面，抗高温水腐蚀性能，良好的传热性能，良好的力学性能及抗辐照性能等一系列优点，被称为“原子时代的第一金属”。
然而锆合金包壳材料在反应堆正常运行工况环境下仍然存在着诸多的问题，流致振动引起的燃料棒与隔架间的微动磨损被认为是燃料棒失效的最重要原因之一。此外，当发生冷却剂缺失事故(LOCA)时，反应堆内温度会迅速升高，可达1200℃，在如此高的温度下，锆合金包壳会与水蒸汽发生反应，释放出氢气与大量的热，严重情况下会导致氢爆发生严重事故。所以，如何保证锆合金包壳在失水事故中的安全性也是一个亟待解决的问题。表面涂层技术作为改善当前锆合金燃料包壳综合性能的重要手段，是目前的研究重点。
人们起初趋向于在燃料包壳表面沉积金属Cr涂层，一方面因Cr有较低的中子吸收截面，另一方面也得益于Cr元素能在涂层表面与腐蚀环境中的O元素形成致密氧化物膜，从而阻止腐蚀介质的进一步腐蚀，具有较好的抗高温氧化性能。但因其硬度较低，耐磨性能较差，强度较低，在某些极端条件下会导致涂层开裂或磨损失效，故其综合使用性能还有待研究。同样，能够在表面形成致密氧化层的元素还包括Al、Si元素，然而有研究指出，对于一些含Al涂层，在模拟压水堆正常情况时，发现了AlO(OH)的生成，其生长速度快，附着力差，不利于腐蚀性能的发挥，导致涂层发生剥落，从而成为限制Al元素使用的一个重要因素。
而近年来随着利用传统硬质涂层的元素掺杂设计具有纳米晶/非晶包覆结构的超硬纳米纳米复合涂层材料概念的提出，在部件表面改性领域显示出极其诱人的应用前景。例如，Ti-Si-N薄膜(nc-TiN/a-Si3N4)具有纳米复合结构和高硬度、高弹性模量、抗高温氧化性和强韧性的理想组合，充分显示出单一纳米薄膜材料无法比拟的优越性，已成为引人注目的超硬薄膜材料之一。但对于此类含N元素涂层，其N含量较高，而N具有较高的热中子吸收截面，会大幅度降低包壳使用过程中的中子经济性。目前核反应堆中压水堆燃料包壳用锆合金抗高温水蒸汽腐蚀性能较差及存在微动磨损等问题。为此，如何保证涂层具有良好的抗高温氧化性及高耐磨性能的同时，降低涂层对包壳使用过程中带来的不利影响是包壳涂层需要解决的关键问题之一。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述背景技术中存在的不足，本发明提供了一种核反应堆燃料包壳纳米复合涂层及其制备方法，该涂层具有良好结合力，通过降低涂层中N元素含量，引入C元素，一方面提高燃料包壳的中子经济性，另一方面获得高表面硬度和低摩擦系数的C单质相，并达到强减摩耐磨及高导热效果。同时，与未涂层燃料包壳相比，本发明所涉及涂层也显著降低了其在高温水蒸汽环境下的腐蚀增重。
本发明第一个目的是提供一种核反应堆燃料包壳纳米复合涂层，包括在核燃料包壳表面依次叠层设置的金属层、第一过渡层、第二过渡层及功能层；
所述金属层的成分为Cr；
所述第一过渡层的成分为CrN；
所述第二过渡层的成分为CrCN；
所述功能层的成分为CrTiSiCN；
所述纳米复合涂层的复合结构为nc-(Cr,Ti)(C,N)/a-Si3N4/a-C。
优选的，所述CrN中的Cr含量为60～70at％，N含量为30～40at％；
所述CrCN中的Cr含量为50～60at％，C含量为12～18at％，N含量为20～30at％；
所述CrTiSiCN中的Cr的含量为27.4-33.6at％，Ti含量为33.0-45.9at％，Si含量为2.7％-5.0at％，C含量为9.8-22.2at％，N含量为8.6％-25.0at％。
优选的，所述金属层的厚度为0.2-0.4μm，所述第一过渡层的厚度为0.3-0.5μm，所述第二过渡层的厚度为0.5-0.7μm，所述功能层的厚度约为5-6μm。
本发明第二个目的是提供一种核反应堆燃料包壳纳米复合涂层的制备方法，包括以下步骤：
S1、对包壳基材表面进行抛光、喷砂预处理；
S2、在惰性气体气氛中，采用射频离子源对基材表面进行离子刻蚀，随后在基材表面进行第一阴极弧等离子体沉积，得到金属层；
S3、在氮气气氛中，真空度为1.0-1.5Pa下，在金属层表面进行第一阴极弧等离子体沉积，得到第一过渡层；
S4、在惰性气体和氮气气氛中，真空度为0.5-0.7Pa下，在第一过渡层表面同步进行直流磁控溅射和第一阴极弧等离子体沉积，得到第二过渡层；
S5、在惰性气体和氮气气氛中，在第二过渡层表面同步进行直流磁控溅射、第一阴极弧等离子体沉积、第二阴极弧等离子体沉积，得到功能层；
即得核反应堆燃料包壳纳米复合涂层；所述第一阴极弧等离子体沉积靶材为金属Cr靶；所述第一直流磁控溅射靶材为C靶；所述第二阴极弧等离子体沉积靶材为TiSi合金靶。
优选的，所述C靶为石墨靶；所述TiSi合金中Ti含量为85at％，Si含量为15at％。
更优选的，
S2中，所述第一阴极弧等离子体沉积的条件包括：时间20-40min，偏压100～400V，弧流100A，占空比为30～50％；
S3中，所述第一阴极弧等离子体沉积的条件包括：时间10-15min，偏压100V，弧流100A。占空比为30～50％；
S4中，所述第一阴极弧等离子体沉积的条件包括：时间10-15min，偏压100V，弧流100A，占空比为30～50％；所述直流磁控溅射的条件包括：时间10-15min，偏压为100V，溅射电流为2.0-2.5A；
S5中，所述第一阴极弧等离子体沉积的条件包括：时间100-120min，偏压100V，弧流100A，占空比为30～50％；所述第二阴极弧等离子体沉积的条件包括：时间100-120min，偏压100V，弧流100A，占空比为30～50％；所述直流磁控溅射的条件包括：时间100～120min，溅射电流为2.5-3.5A。
更优选的，S3中，氮气的流量为400～500sccm；S4和S5中，惰性气体与氮气的流量比均为3:1。
更优选的，S2中，离子刻蚀过程中，设置离子源电压为500V，占空比为50％，真空度0.3-0.7Pa，偏压为600-800V，刻蚀时间为20-30min。
优选的，抛光处理是将基材采用粗糙度依次为180-1500目的水砂纸研磨，进行精细抛光；喷砂是将600目的白刚玉颗粒，在0.2Pa压力下轰击基材表面；所述基材材质为锆合金。
本发明第三个目的是提供一种纳米复合涂层在核反应堆燃料包壳表面修饰中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供了一种核反应堆燃料包壳纳米复合涂层，该涂层具有良好结合力，通过降低涂层中N元素含量，引入C元素，一方面提高燃料包壳的中子经济性，另一方面获得高表面硬度和低摩擦系数的C单质相，并达到强减摩耐磨及高导热效果。同时，与未涂层燃料包壳相比，本发明所涉及涂层也显著降低了其在高温水蒸汽环境下的腐蚀增重。
本发明提供的纳米复合涂层通过磁控溅射技术引入C元素，能够更好的细化晶粒，从而强化涂层的高温性能；通过改变Ar气与N2气流量比，降低涂层中N元素含量，减少中子经济损失；与传统的金属Cr涂层相比，涂层的硬度高，涂层的摩擦系数小，从而达到耐磨减摩效果，有利于解决因微动磨损造成的核燃料包壳表面损伤的问题。
本发明提供的纳米复合涂层引入Cr元素，利用其韧性好、高温性能好，且能与O形成致密的氧化膜保护层，因此可以有效阻止O元素在高温下对基材的侵蚀；此外，由于涂层为非晶相包覆的纳米晶(Cr,Ti)(C,N)的纳米复合结构，可明显强化涂层的抗高温腐蚀性能。
本发明提供的纳米复合涂层设置金属Cr打底层，能提高涂层与基材的界面结合力，同时设置CrN与CrCN两层过渡层，避免了直接在金属上沉积陶瓷层时因两者的晶格常数差异过大而导致涂层开裂剥落等问题。同时避免CrN第一过度层与功能层CrTiSiCN两者的晶格常数差异较大而造成涂层开裂，达到缓解CrN层与CrTiSiCN功能层晶格畸变,降低内应力的积累。
本发明采用多弧离子镀复合直流磁控溅射技术，相比于传统的单一技术，利用磁控溅射技术引入碳原子，通过改变Ar气与N2气流量比，能够在更广的范围内调节涂层中各元素含量，所制备的涂层性能更加优异，此为本发明的技术创新点。
本发明在压水堆核燃料包壳表面沉积的纳米复合涂层能够大幅度提高目前燃料包壳的服役寿命与使用寿命。
附图说明
图1为本发明采用的多弧离子镀复合直流磁控溅射设备结构示意图。
图2为本发明提供的纳米复合涂层的结构示意图。
图3为实施例1提供的在锆合金包壳表面制备的纳米复合涂层的横截面扫描电子显微镜照片。
图4为实施例1提供的锆合金包壳表面制备的纳米复合涂层的表面形貌扫描电子显微镜照片及元素含量。
图5为实施例2提供的锆合金表面制备的纳米复合涂层的X射线衍射谱。
图6为实施例2提供的锆合金表面制备的纳米复合涂层的X射线光电子能谱图。
图7为本发明所制备的纳米复合涂层与表面未制备涂层的锆合金在1000℃高温水蒸汽中腐蚀的单位面积氧化增重对比图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但所举实施例不作为对本发明的限定。
需要说明的是，下述各实施例中实验方法如无特殊说明，均为常规方法；采用的试剂和材料，如无特殊说明，均可在市场上购买得到。
下述各实施例采用靶材金属Cr靶纯度为99.95％，石墨靶纯度为99.999％，TiSi合金中Ti含量为85at％，Si含量为15at％。
下述各实施例在制备纳米复合涂层时采用的多弧离子镀复合直流磁控溅射设备，见图1所示，该设备包括腔室1及腔室1内设置的转架2，腔室1内还配备有四个弧靶(弧靶1、弧靶2、弧靶3、弧靶4)、两个直流磁控靶(磁控靶1、磁控靶2)、铠装加热棒、射频离子源，其中4个弧靶后方均配备励磁线圈，其中励磁线圈1控制弧靶1、2，励磁线圈2控制弧靶3、4；
本发明将弧靶1、2作为第一阴极弧等离子体沉积的靶材为金属Cr靶；将弧靶3、4作为第二阴极弧等离子体沉积的靶材为TiSi合金靶，将磁控靶1作为直流磁控溅射的靶材为石墨靶。
优选的，转架设置为自转，同时固定在转架上的工件进行自转，以避免靶材位置带来的影响，使沉积的涂层厚度更加均匀。
下述各实施例中提供的一种核反应堆燃料包壳纳米复合涂层，见图2所示，包括在核燃料包壳表面依次叠层设置的金属层1、第一过渡层2、第二过渡层3及功能层4；
金属层1的成分为Cr；
第一过渡层2的成分为CrN，其中CrN中的Cr含量为64.8at％，N含量为35.2at％)；
第二过渡层3的成分为CrCN，其中CrCN中的Cr含量为58at％，C含量为16.2at％，N含量为25.8at％；
功能层4的成分为CrTiSiCN，其中CrTiSiCN中的Cr含量为27.4-33.6at％，Ti含量为33.0-45.9at％，Si含量为2.7％-5.0at％，C含量为9.8-22.2at％，N含量为8.6％-25.0at％。
金属层1的厚度为0.2-0.4μm；第一过渡层2的厚度为0.3-0.5μm；第二过渡层3的厚度为0.5-0.7μm；功能层4的厚度约为5-6μm。
下述各实施例选用的基材为锆合金Zr-4。
下面结合实施例对本发明提供的核反应堆燃料包壳纳米复合涂层及其制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
一种核反应堆燃料包壳纳米复合涂层，见图2所示，包括：包括在核燃料包壳表面依次叠层设置的金属层1、第一过渡层2、第二过渡层3及功能层4；
金属层1的成分为Cr；
第一过渡层2的成分为CrN，其中CrN中的Cr含量为64.8at％，N含量为35.2at％)；
第二过渡层3的成分为CrCN，其中CrCN中的Cr含量为58at％，C含量为16.2at％，N含量为25.8at％；
功能层4的成分为CrTiSiCN，其中CrTiSiCN中的Cr含量为27.4at％，Ti含量为33.0at％，Si含量为5.0at％，C含量为22.2at％，N含量为12.4at％。
上述核反应堆燃料包壳纳米复合涂层是按照以下步骤制得：
(1)将大小为20mm×20mm×2mm的正方形锆合金基片分别进行抛光、喷砂预处理；
抛光为，将锆合金基材采用粗糙度依次为180-1500目的水砂纸研磨，进行精细抛光；
喷砂处理为，使用600目的白刚玉颗粒，在0.2Pa压力下轰击锆合金表面，其目的是去除基材表面氧化物，提高基材与涂层的结合力；
将处理后的包壳基材放于多弧离子镀复合直流磁控溅射设备的真空腔内，固定在转架上；
(2)采用机械泵+分子泵的方式对真空腔进行抽真空，设置真空气相沉积的真空度<5×10-3Pa，真空腔室温度为300℃；当真空度<5×10-3Pa后，首先采用射频离子源对基材进行刻蚀，具体工艺参数为：转架以15Hz的转速转动，然后向真空腔内通入Ar气，设置离子源电压500V，占空比50％，Ar气流量为180sccm，真空度0.7Pa，偏压为600V，刻蚀时间为20min；Ar离子刻蚀后，关闭离子源，在经过刻蚀的锆合金基片上沉积金属Cr打底层，控制Ar气流量120sccm，真空度0.5Pa，开启金属Cr靶，靶电流为100A，占空比为50％，基材偏压设置为200V，对应沉积时间对应为15min；沉积金属Cr打底层的作用是提高涂层和基材的结合强度；金属Cr打底层的沉积厚度为0.3μm；
(3)在金属Cr打底层上继续沉积CrN第一过渡层，将Ar切换N2气流量400sccm，真空度1.0Pa，金属Cr靶电流100A，占空比为50％，基材偏压设置为100V，沉积时间为15min，沉积厚度为0.4um；
(4)在沉积CrN第一过渡层后，打开直流磁控溅射石墨靶挡板，继续沉积CrCN第二过渡层，Ar气流量120sccm，N2流量40sccm，真空度0.6Pa，同时开启Cr靶与石墨靶，Cr靶电流为100A，占空比为50％，石墨靶电流为2.0A，基材偏压设置为100V，沉积时间为15min，沉积厚度为0.3um。
(5)在CrCN第二过渡层上继续沉积CrTiSiCN纳米复合涂层，Ar气流量120sccm，N2流量40sccm，真空度0.6Pa，同时开启TiSi靶，靶电流为100A，占空比为50％，励磁线圈电流为1.2V，电流为0.6A，占空比为30％，石墨靶电流为2.5A，沉积时间为100min，沉积厚度为5um；
即得核反应堆燃料包壳纳米复合涂层。
实施例2
一种核反应堆燃料包壳纳米复合涂层，见图2所示，包括：包括在核燃料包壳表面依次叠层设置的金属层1、第一过渡层2、第二过渡层3及功能层4；
金属层1的成分为Cr；
第一过渡层2的成分为CrN，其中CrN中的Cr含量为64.8at％，N含量为35.2at％)；
第二过渡层3的成分为CrCN，其中CrCN中的Cr含量为58at％，C含量为16.2at％，N含量为25.8at％；
功能层4的成分为CrTiSiCN，其中CrTiSiCN中的Cr含量为33.6at％，Ti含量为45.3at％，Si含量为2.7at％，C含量为9.8at％，N含量为8.6at％。
上述核反应堆燃料包壳纳米复合涂层是按照以下步骤制得：
(1)将大小为20mm×20mm×2mm的正方形锆合金基片分别在粗糙度为180-1500目的水砂纸进行研磨和抛光，超声清洗，之后使用600目的白刚玉颗粒，在0.2Pa压力下进行喷砂处理，然后将样品安装固定在转架上；
(2)采用机械泵+分子泵的模式对腔室进行抽真空，同时对腔体进行加热，设置温度为350℃；当真空度<5×10-3Pa后，首先采用射频离子源对基材进行刻蚀，其具体工艺参数为：使转架以15Hz的转速转动，设置离子源电压500V，占空比50％，Ar气流量为120sccm，真空度为0.5Pa，偏压为800V，刻蚀时间为30min；Ar离子刻蚀后，关闭离子源，在经过刻蚀的锆合金基片上沉积金属Cr打底层，Ar气流量180sccm，真空度0.7Pa，开启金属Cr靶，靶电流为100A，占空比为50％，基材偏压依次设置为200V，对应沉积时间对应为5min，金属Cr打底层的沉积厚度为0.2μm；
(3)在金属Cr打底层上继续沉积CrN第一过渡层，N2气流量500sccm，真空度1.2Pa，Cr靶电流100A，占空比为50％，基材偏压设置为100V。沉积时间为20min，沉积厚度为0.5um。
(4)在沉积CrN第一过渡层后，打开直流磁控溅射石墨靶挡板，沉积CrCN第二过渡层，Ar气流量120sccm，N2流量40sccm，真空度0.6Pa，同时开启Cr靶与石墨靶，Cr靶电流为100A，占空比为50％，石墨靶电流为2.0A，基材偏压设置为100V。沉积时间为20min，沉积厚度为0.4um。
(5)在CrCN第二过渡层上继续沉积CrTiSiCN纳米纳米复合涂层，Ar气流量80sccm，N2流量80sccm，真空度0.6Pa，同时开启TiSi靶，靶电流为100A，占空比为50％，励磁线圈电流为2.0V，电流为1.2A，占空比为50％，石墨靶电流为3.0A，同步沉积时间为120min，沉积厚度为6um。
即得核反应堆燃料包壳纳米复合涂层。
实施例3
与实施例1相同，不同之处在于，本实施例选用的包壳基材为高15mm，直径10mm的圆柱锆合金棒。
实施例4
与实施例1相同，不同之处在于，步骤(2)中基材偏压设置为400V，对应沉积时间对应为20min。
实施例5
与实施例1相同，不同之处在于，步骤(2)中基材偏压依次设置为100V，对应沉积时间对应为10min。
为了说明本发明提供的纳米复合涂层及制备方法的相关性能，对实施例1～3进行相关的表征测试，见图
图3为实施例1提供的在锆合金包壳表面制备的纳米复合涂层的横截面扫描电子显微镜照片；从图3可知，该涂层包括金属Cr打底层、CrN与CrCN过渡层、CrTiSiCN表面功能层四层。四层总厚度约为6μm。金属Cr打底层的沉积厚度为0.3μm；CrN与CrCN过渡层总厚度为0.7μm；CrTiSiCN表面功能层的沉积厚度约为5μm。
图4为实施例1提供的锆合金包壳表面制备的纳米复合涂层的表面形貌扫描电子显微镜照片a及元素含量图b，从图4可知，涂层中N含量已有明显下降。
图5为实施例2所制备的纳米复合涂层的X射线衍射谱，X射线衍射谱中出现(Cr,Ti)(C,N)、TiN、Cr2C的衍射峰。
图6为实施例2提供的锆合金表面制备的纳米复合涂层的X射线光电子能谱图，其中图a为C1s谱图，图b为Si2p谱图，从图6可知，中发现了Sp2 C-C键与Si-N键的结合能，涂层复合结构为nc-(Cr,Ti)(C,N)/a-Si3N4/a-C，具体结构为部分C原子固溶于TiN、CrN晶格中，形成纳米晶固溶体，另一部分形成无定形碳，与无定形Si3N4于晶界处包覆纳米晶。
图7为实施例3制备的纳米复合涂层与表面未制备涂层的锆合金在1000℃高温水蒸汽中腐蚀的单位面积氧化增重对比图，从图7中可以看出，本发明所制备的CrTiSiCN纳米纳米复合涂层相比与表面未制备涂层的锆合金，其氧化增重降低70％以上，其高温抗氧化性优异。
综上，本发明提供了一种核反应堆燃料包壳纳米复合涂层，该涂层具有良好结合力，通过降低涂层中N元素含量，引入C元素，一方面提高燃料包壳的中子经济性，另一方面获得高表面硬度和低摩擦系数的C单质相，并达到强减摩耐磨及高导热效果。同时，与未涂层燃料包壳相比，本发明所涉及涂层也显著降低了其在高温水蒸汽环境下的腐蚀增重。
本发明提供的纳米复合涂层通过磁控溅射技术引入C元素，能够更好的细化晶粒，从而强化涂层的高温性能；通过改变Ar气与N2气流量比，降低涂层中N元素含量，减少中子经济损失；与传统的金属Cr涂层相比，涂层的硬度高，涂层的摩擦系数小，从而达到耐磨减摩效果，有利于解决因微动磨损造成的核燃料包壳表面损伤的问题。
本发明提供的纳米复合涂层引入Cr元素，利用其韧性好、高温性能好，且能与O形成致密的氧化膜保护层，因此可以有效阻止O元素在高温下对基材的侵蚀；此外，由于涂层为非晶相包覆的纳米晶(Cr,Ti)(C,N)的纳米复合结构，可明显强化涂层的抗高温腐蚀性能。
本发明提供的纳米复合涂层设置金属Cr打底层，能提高涂层与基材的界面结合力，同时设置CrN与CrCN两层过渡层，避免了直接在金属上沉积陶瓷层时因两者的晶格常数差异过大而导致涂层开裂剥落等问题。同时避免CrN第一过度层与功能层CrTiSiCN两者的晶格常数差异较大而造成涂层开裂，达到缓解CrN层与CrTiSiCN功能层晶格畸变,降低内应力的积累。
本发明采用多弧离子镀复合直流磁控溅射技术，相比于传统的单一技术，利用磁控溅射技术引入碳原子，通过改变Ar气与N2气流量比，能够在更广的范围内调节涂层中各元素含量，所制备的涂层性能更加优异，此为本发明的技术创新点。
本发明在压水堆核燃料包壳表面沉积的纳米复合涂层能够大幅度提高目前燃料包壳的服役寿命与使用寿命。
本发明描述了优选实施例及其效果。但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种核反应堆燃料包壳纳米复合涂层，其特征在于，包括在核燃料包壳表面依次叠层设置的金属层、第一过渡层、第二过渡层及功能层；
所述金属层的成分为Cr；
所述第一过渡层的成分为CrN；所述CrN中的Cr含量为60～70at％，N含量为30～40at％；
所述第二过渡层的成分为CrCN；所述CrCN中的Cr含量为50～60at％，C含量为12～18at％，N含量为20～30at％；
所述功能层的成分为CrTiSiCN；所述CrTiSiCN中的Cr的含量为27.4-33.6at％，Ti含量为33.0-45.9at％，Si含量为2.7％-5.0at％，C含量为9.8-22.2at％，N含量为8.6％-25.0at％；
所述纳米复合涂层的复合结构为nc-(Cr,Ti)(C,N)/a-Si3N4/a-C；
所述金属层的厚度为0.2-0.4μm，所述第一过渡层的厚度为0.3-0.5μm，所述第二过渡层的厚度为0.5-0.7μm，所述功能层的厚度约为5-6μm。
2.一种权利要求1所述的核反应堆燃料包壳纳米复合涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对包壳基材表面进行抛光、喷砂预处理；
S2、在惰性气体气氛中，采用射频离子源对基材表面进行离子刻蚀，随后在基材表面进行第一阴极弧等离子体沉积，得到金属层；
S3、在氮气气氛中，真空度为1.0-1.5Pa下，在金属层表面进行第一阴极弧等离子体沉积，得到第一过渡层；
S4、在惰性气体和氮气气氛中，真空度为0.5-0.7Pa下，在第一过渡层表面同步进行直流磁控溅射和第一阴极弧等离子体沉积，得到第二过渡层；
S5、在惰性气体和氮气气氛中，在第二过渡层表面同步进行直流磁控溅射、第一阴极弧等离子体沉积、第二阴极弧等离子体沉积，得到功能层；
即得核反应堆燃料包壳纳米复合涂层；
其中，所述第一阴极弧等离子体沉积的靶材为金属Cr靶；所述直流磁控溅射的靶材为C靶；所述第二阴极弧等离子体沉积的靶材为TiSi合金靶。
3.根据权利要求2所述的核反应堆燃料包壳纳米复合涂层的制备方法，其特征在于，所述C靶为石墨靶；所述TiSi合金中Ti含量为85at％，Si含量为15at％。
4.根据权利要求3所述的核反应堆燃料包壳纳米复合涂层的制备方法，其特征在于，
S2中，所述第一阴极弧等离子体沉积的条件包括：时间20-40min，偏压100～400V，弧流100A，占空比为30～50％；
S3中，所述第一阴极弧等离子体沉积的条件包括：时间10-15min，偏压100V，弧流100A。占空比为30～50％；
S4中，所述第一阴极弧等离子体沉积的条件包括：时间10-15min，偏压100V，弧流100A，占空比为30～50％；所述直流磁控溅射的条件包括：时间10-15min，偏压为100V，溅射电流为2.0-2.5A；
S5中，所述第一阴极弧等离子体沉积的条件包括：时间100-120min，偏压100V，弧流100A，占空比为30～50％；所述第二阴极弧等离子体沉积的条件包括：时间100-120min，偏压100V，弧流100A，占空比为30～50％；所述直流磁控溅射的条件包括：时间100～120min，溅射电流为2.5-3.5A。
5.根据权利要求3所述的核反应堆燃料包壳纳米复合涂层的制备方法，其特征在于，S3中，氮气的流量为400～500sccm；S4和S5中，惰性气体与氮气的流量比均为3:1。
6.根据权利要求3所述的核反应堆燃料包壳纳米复合涂层的制备方法，其特征在于，S2中，离子刻蚀过程中，设置离子源电压为500V，占空比为50％，真空度0.3-0.7Pa，偏压为600-800V，刻蚀时间为20-30min。
7.根据权利要求2所述的核反应堆燃料包壳纳米复合涂层的制备方法，其特征在于，抛光处理是将基材采用粗糙度依次为180-1500目的水砂纸研磨，进行精细抛光；喷砂是将600目的白刚玉颗粒，在0.2Pa压力下轰击基材表面；
所述基材材质为锆合金。
8.一种权利要求1所述的纳米复合涂层在核反应堆燃料包壳表面修饰中的应用。
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