CN117385352B - 一种核反应堆用锆合金件表面防护涂层 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种核反应堆用锆合金件表面防护涂层，所述防护涂层为NbSiCrNiY涂层或NbSiCrNiY/CrAl涂层，所述防护涂层是采用超高速激光熔覆技术在锆合金件表面制备而成的。其中，制备NbSiCrNiY涂层所选用的铌基熔覆粉末中各成分的质量百分比为：Si 5～25%，Cr 5~15%，Ni 2.5~5%，Y 0.2~1%，余量为Nb。通过在锆合金件表面通过超高速激光熔覆方法熔覆防护涂层，该防护涂层能够与基体形成冶金结合，使得锆合金件具备较优的抗长期高温氧化性能和抗热腐蚀性能。
Description
技术领域
本发明涉及核反应堆材料表面涂层技术领域，具体的说是一种核反应堆用锆合金件表面防护涂层。
背景技术
金属锆（Zr）合金具有优异的核性能，热中子吸收截面系数较低。用锆合金代替不锈钢作为核反应堆堆芯结构材料，可节省1/2铀燃料，经济效益较高。锆合金在300~400℃的高压水蒸汽中具有一定的抗腐蚀性，且具有优异的抗中子辐照性能、适中的力学性能和良好的加工性能，常应用于水冷核反应堆中的燃料棒包壳材料、结构框架等。
然而，当核反应堆芯冷却水突发泄露，堆芯温度升高至1000℃以上时，锆合金因抗高温氧化性能和抗热腐蚀性能较差，会在高温下发生氧化腐蚀，释放大量的热能与氢气，极易产生爆炸，产生大规模核泄漏事故，不仅如此，在突发泄露后，工作人员需要一定的时间进行补救，这就需要锆合金件具备抗长期高温氧化性能和抗腐蚀性能。因此，研发对突发事故有较高的抗高温氧化和抗腐蚀的锆合金件，对于提高水冷核反应堆的核安全性具有重要意义。采用涂层技术对锆合金件进行保护的方法是本领域技术人员研究的热点方向。
国内外研究人员对锆合金表面抗高温氧化腐蚀涂层材料进行了广泛的研究，目前常用的抗氧化腐蚀涂层材料包括陶瓷涂层材料（如原位氧化锆、TiN、TiAlN、CrN等）和金属涂层材料（如Cr）。其中，陶瓷涂层材料韧性较差，在应力条件下易开裂剥落，进而在高温高压水中易出现对锆合金防护失效的问题。金属涂层材料相较于陶瓷涂层材料韧性较好、不易开裂剥落，目前被广泛研究的是Cr金属或Cr合金涂层，在短期的高温条件下，Cr金属或Cr合金涂层虽然能够起到一定的抗高温氧化性能，但在长期的高温条件下Cr易与锆合金发生严重互扩散，互扩散后的锆合金抗氧化性甚至弱于未熔覆涂层的锆合金件。
综上，亟需研发一种新型抗长期高温氧化和抗热腐蚀的涂层来防护锆合金件，以提高核反应堆用锆合金件的抗高温氧化性能和抗热腐蚀性能。
发明内容
为了解决现有技术中的不足，本发明提供一种核反应堆用锆合金件表面防护涂层，通过在锆合金件表面采用超高速激光熔覆技术制备至少一层涂层，该涂层能够与基体形成冶金结合，使得锆合金件具备较优的抗长期高温氧化性能和抗热腐蚀性能。
为了实现上述目的，本发明采用的具体方案为：
一种核反应堆用锆合金件表面防护涂层，所述防护涂层包括由铌基熔覆粉末通过超高速激光熔覆技术在锆合金件表面制备而成的、厚度为20-500μm的NbSiCrNiY涂层；
其中，铌基熔覆粉末中各成分的质量百分比为：Si 5～25%，Cr 5~15%，Ni 2.5~5%，Y 0.2~1%，余量为Nb。
进一步地，铌基熔覆粉末的平均粒径为45~110μm。
进一步地，超高速激光熔覆制备NbSiCrNiY涂层的具体工艺参数为：激光扫描速率为10m/min~100m/min，激光功率为1600W~5000W，光斑面积为2~15mm2，送粉率为10~100g/min，保护气体流量为10~50L/min，搭接率为30~75%。
进一步地，在进行超高速激光熔覆前，先对锆合金件进行预处理；
预处理的具体方法为：用砂纸将锆合金件表面打磨抛光至粗糙度Ra为0.6~0.8μm，以除去表面氧化物，然后置于丙酮中进行超声清洗。
进一步地，对NbSiCrNiY涂层进行磨削加工后处理，控制NbSiCrNiY涂层的厚度为10~100μm，表面粗糙度Ra为0.2~3.6μm。
进一步地，所述防护涂层还包括厚度为20-500μm的CrAl涂层，是由铬基熔覆粉末通过超高速激光熔覆技术在磨削加工后的NbSiCrNiY涂层表面制备而成的；
其中，铬基熔覆粉末中各成分的质量百分比为：Al 10~40%，Cr 60~90%。
进一步地，超高速激光熔覆制备CrAl涂层的具体工艺参数为：激光扫描速率为10m/min~100m/min，激光功率为1600W~5000W，光斑面积为2~15mm2，送粉率为10~100g/min，保护气体流量为10~50L/min，搭接率为30~75%。
进一步地，铬基熔覆粉末的平均粒径为45~110μm。
进一步地，对CrAl涂层进行磨削加工后处理，控制CrAl涂层的厚度为10~100μm，涂层表面的粗糙度Ra为0.2~3.6μm。
下面对各个元素的作用进行阐述。
Nb元素与Si元素反应形成Nb-Si合金，Nb-Si合金具有较高的熔点和高温强度，在高温条件下与锆合金互扩散速率较慢。
Cr元素能够提升涂层在高温条件下的抗氧化性能，但Cr元素的含量超过15%时，易降低涂层的强度和韧性。
Ni元素能够提高合金材料的韧性、降低涂层的脆性。
Y元素能够降低O元素在晶界的扩散速率，提高合金的抗高温氧化性能。
CrAl合金具有较好的抗高温氧化性能，且通过调节Al的含量，能够降低金属Cr的脆性，增加涂层的韧性与熔覆后表面完整性。
有益效果：
1）、本发明通过合理调控NbSiCrNiY涂层中各元素的含量，能够使合金具备较好的强度、韧性与抗氧化性能，配合超高速激光熔覆技术能够降低熔覆涂层与基体的稀释层厚度，进而使制备的NbSiCrNiY涂层与基体形成冶金结合，使得处理后的锆合金件具备较优的抗长期高温氧化性能和抗热腐蚀性能。
2）、本发明在NbSiCrNiY涂层表面又通过超高速激光熔覆方法制备了一层CrAl涂层，提高了锆合金件在高温高压水环境下的抗热腐蚀性能，同时避免了传统激光熔覆方法在层级产生较厚稀释层的缺点。
3）、本发明在制备CrAl涂层前，先对NbSiCrNiY涂层进行了磨削加工，通过调控NbSiCrNiY涂层的厚度，抑制CrAl涂层与锆合金基体的高温互扩散行为，提升了涂层的抗高温氧化性能。
4）、本发明在制备CrAl涂层后，对CrAl涂层进行了磨削加工，以调控熔覆涂层的厚度，使涂层具有较好地抗氧化性能，同时保持较高的热中子经济效率。
附图说明
图1为本发明实施例1中锆合金核板件表面熔覆防护涂层后的微观形貌图。
图2为本发明实施例3中锆合金核板件表面熔覆防护涂层后的微观形貌图。
具体实施方式
本发明申请文件中，“NbSiCrNiY涂层”和“Nb合金涂层”的含义相同，“CrAl涂层”和“CrAl合金涂层”的含义相同。
本发明提供了一种核反应堆用锆合金件表面防护涂层，所述防护涂层包括熔覆在锆合金件表面的NbSiCrNiY涂层，通过在锆合金件表面熔覆一层20-500μm厚的NbSiCrNiY涂层，能够提高锆合金件的抗长期高温氧化性能和抗热腐蚀性能。其中，本发明针对的锆合金件既可以是板件也可以是包壳管。
NbSiCrNiY涂层的具体制备方法为：用砂纸将锆合金件表面打磨抛光至粗糙度Ra为0.6~0.8μm，以除去表面氧化物，之后置于丙酮中进行超声清洗，然后由铌基熔覆粉末通过超高速激光熔覆技术在锆合金件表面熔覆一层NbSiCrNiY涂层。其中，超高速激光熔覆制备NbSiCrNiY涂层的具体工艺参数为：激光扫描速率为10m/min~100m/min，激光功率为1600W~5000W，光斑面积为2~15mm2，送粉率为10~100g/min，保护气体流量为10~50L/min，搭接率为30~75%。
铌基熔覆粉末的平均粒径为45~110μm，其各成分的质量百分比为：Si 5～25%，Cr5~15%，Ni 2.5~5%，Y 0.2~1%，余量为Nb。
作为本发明的优选实施例，所述防护涂层包括熔覆在锆合金件表面的NbSiCrNiY涂层和熔覆在NbSiCrNiY涂层表面的CrAl涂层。其中，NbSiCrNiY涂层的厚度为20-500μm，CrAl涂层的厚度为20-500μm。
CrAl涂层的具体制备方法为：先对NbSiCrNiY涂层进行磨削加工后处理，控制NbSiCrNiY涂层的厚度为10~100μm，表面粗糙度Ra为0.2~3.6μm；由铬基熔覆粉末通过超高速激光熔覆技术在NbSiCrNiY涂层表面制备CrAl涂层；其中，铬基熔覆粉末的平均粒径为45~110μm，铬基熔覆粉末中各成分的质量百分比为：Al 10~40%，Cr 60~90%。
超高速激光熔覆制备CrAl涂层的具体工艺参数为：激光扫描速率为10m/min~100m/min，激光功率为1600W~5000W，光斑面积为2~15mm2，送粉率为10~100g/min，保护气体流量10~50L/min，搭接率为30~75%。
在CrAl涂层制备完成后，对CrAl涂层进行磨削加工后处理，控制CrAl涂层的厚度为10~100μm，涂层表面的粗糙度Ra为0.2~3.6μm。
需要说明的是，本发明所涉及的锆合金为核用锆合金，可以为Zr-2.5Nb、Zr-4、ZirloTM、M5®、N36等核用燃料包壳管或核用板件。下面结合具体实施例和对比例对本发明的技术方案进行详细阐述，具体地，实施例和对比例中采用的锆合金为Zr-4合金，这是一种核用锆合金；超高速激光熔覆所采用的设备最大功率为6KW。
实施例1
本实施例提供了一种核反应堆用锆合金件表面防护涂层，所述防护涂层包括熔覆在锆合金件上的NbSiCrNiY涂层。所述防护涂层的制备方法主要包括以下步骤：
1）、取100mm×100mm×2mm的锆合金板件作为基体材料，用砂纸将锆合金板件表面打磨抛光至粗糙度Ra为0.8μm，以除去表面氧化物；然后将锆合金板件置于丙酮中超声清洗10min；
2）、将纯度为99.8%的Nb粉、Si粉、Cr粉、Ni粉、Y粉，按照元素质量百分比Si 5%，Cr5%，Ni 2.5%，Y 0.2%，Nb为余量，分别取合适的质量，置于球磨罐中，在行星球磨机上以300r/min的转速球磨60min，得到平均粒径为110μm的铌基熔覆粉末；
3）、将锆合金板件置于激光熔覆设备的工作台上，将球磨后的铌基熔覆粉末置于激光熔覆设备的送粉器中，在氩气气氛的保护下通过超高速激光熔覆在锆合金板件表面制备厚度为150μm的NbSiCrNiY涂层，得到样品；
其中，超高速激光熔覆过程中，控制激光扫描速率为50m/min，激光功率为3000W，光斑面积为3mm2，送粉率为15g/min，氩气流量为25L/min，搭接率为50%；
4）、超高速激光熔覆后，将样品置于磨床上，对NbSiCrNiY涂层进行磨削加工后处理，控制涂层的厚度为20μm，表面粗糙度Ra为0.5μm。
本实施例中锆合金板件的表面处理完成后，其截面微观形貌图如图1所示，由图可知，NbSiCrNiY涂层与锆合金基体间以冶金方式结合，涂层无裂纹，且涂层对基体的稀释层厚度较小。
实施例2
本实施例提供了一种核反应堆用锆合金件表面防护涂层，所述防护涂层包括熔覆在锆合金件上的NbSiCrNiY涂层。所述防护涂层的制备方法主要包括以下步骤：
1）、取100mm×100mm×2mm的锆合金板件作为基体材料，用砂纸将锆合金板件表面打磨抛光至粗糙度Ra为0.8μm，除去表面氧化物；然后将锆合金板件置于丙酮中超声清洗10min；
2）、将纯度为99.8%的Nb粉、Si粉、Cr粉、Ni粉、Y粉，按照元素质量百分比Si 18%，Cr12%，Ni 5%，Y0.5%，Nb为余量；分别取合适的质量，置于球磨罐中，在行星球磨机上以350r/min的转速球磨80min，得到平均粒径为110μm的铌基熔覆粉末；
3）、将锆合金板件置于激光熔覆设备的工作台上，将球磨后的铌基熔覆粉末置于激光熔覆设备的送粉器中，在氩气气氛的保护下通过超高速激光熔覆在锆合金板件表面制备厚度为200μm的NbSiCrNiY涂层，得到样品；
其中，超高速激光熔覆过程中，控制激光扫描速率为10m/min，激光功率为1600W，光斑面积为2mm2，送粉率为10g/min，氩气流量为10 L/min，搭接率为50%；
4）、超高速激光熔覆后，将样品置于磨床上，对NbSiCrNiY涂层进行磨削加工后处理，控制涂层的厚度为100μm，表面粗糙度Ra为0.2μm。
实施例3
本实施例提供了一种核反应堆用锆合金件表面防护涂层，所述防护涂层自内向外包括NbSiCrNiY涂层和CrAl涂层。所述防护涂层的制备方法主要包括以下步骤：
1）、取100mm×100mm×2mm的锆合金板件作为基体材料，用砂纸将锆合金板件表面打磨抛光至粗糙度Ra为0.8μm，除去表面氧化物；然后将锆合金板件置于丙酮中超声清洗10min；
2）、将纯度为99.8%的Nb粉、Si粉、Cr粉、Ni粉、Y粉，按照元素质量百分比Si 10%，Cr10%，Ni 4%，Y0.4%，Nb为余量，分别取合适的质量，置于球磨罐中，在行星球磨机上以300r/min的转速球磨60min，得到平均粒径为110μm的铌基熔覆粉末；
3）、将锆合金板件置于激光熔覆设备的工作台上，将球磨后的铌基熔覆粉末置于激光熔覆设备的送粉器中，在氩气气氛的保护下通过超高速激光熔覆在锆合金板件表面制备厚度为100μm的NbSiCrNiY涂层；
其中，超高速激光熔覆过程中，控制激光扫描速率为40m/min，激光功率为3500W，光斑面积为3mm2，送粉率为20g/min，氩气流量为30L/min，搭接率为50%；
4）、超高速激光熔覆后，将熔覆有NbSiCrNiY涂层的锆合金板件置于磨床上，对NbSiCrNiY涂层进行磨削加工后处理，控制NbSiCrNiY涂层的厚度为20μm，涂层表面粗糙度Ra为0.6μm；
5）、将熔覆有NbSiCrNiY涂层的锆合金板件置于激光熔覆设备的工作台上，将平均粒径为60μm的铬基熔覆粉末（Al的质量百分比为40%，Cr的质量百分比为60%）置于激光熔覆设备的送粉器中，在氩气气氛的保护下通过超高速激光熔覆在NbSiCrNiY涂层表面制备厚度为150μm的CrAl涂层，得到样品；
其中，超高速激光熔覆过程中，控制激光扫描速率为60m/min，激光功率为3000W，光斑面积为3mm2，送粉率为30g/min，氩气流量为25L/min，搭接率为50%；
6）、超高速激光熔覆后，将样品置于磨床上，对CrAl涂层进行磨削加工后处理，控制CrAl涂层的厚度为20μm，表面粗糙度Ra为1.6μm。
本实施例中的锆合金板件表面处理完成后，其截面微观形貌图如图2所示，由图可知，NbSiCrNiY涂层与锆合金基体间以冶金方式结合，涂层无裂纹，NbSiCrNiY涂层与CrAl涂层结合紧密、无裂纹，且涂层对基体的稀释层厚度较小。
实施例4
本实施例提供了一种核反应堆用锆合金件表面防护涂层，所述防护涂层自内向外包括NbSiCrNiY涂层和CrAl涂层。所述防护涂层的制备方法主要包括以下步骤：
1）、取100mm×100mm×2mm的锆合金板件作为基体材料，用砂纸将锆合金板件表面打磨抛光至粗糙度Ra为0.8μm，除去表面氧化物；然后将锆合金板件置于丙酮中超声清洗10min；
2）、将纯度为99.8%的Nb粉、Si粉、Cr粉、Ni粉、Y粉，按照元素质量百分比Si 5%，Cr5%，Ni 2.5%，Y 0.2%，Nb为余量；分别取合适的质量，置于球磨罐中，在行星球磨机上以350r/min的转速球磨60min，得到平均粒径为110μm的铌基熔覆粉末；
3）、将锆合金板件置于激光熔覆设备的工作台上，将球磨后的铌基熔覆粉末置于激光熔覆设备的送粉器中，在氩气气氛的保护下通过超高速激光熔覆在锆合金板件表面制备厚度为100μm的NbSiCrNiY涂层；
其中，超高速激光熔覆过程中，控制激光扫描速率为10m/min，激光功率为1600W，光斑面积为2mm2，送粉率为10g/min，氩气流量为10L/min，搭接率为50%；
4）、超高速激光熔覆后，将熔覆有NbSiCrNiY涂层的锆合金板件置于磨床上，对NbSiCrNiY涂层进行磨削加工后处理，控制NbSiCrNiY涂层的厚度为20μm，表面粗糙度Ra为0.2μm；
5）、将熔覆有NbSiCrNiY涂层的锆合金板件置于激光熔覆设备的工作台上，将平均粒径为100μm的铬基熔覆粉末（其中，Al的质量百分比为10%，Cr的质量百分比为90%）置于激光熔覆设备的送粉器中，在氩气气氛的保护下通过超高速激光熔覆在NbSiCrNiY涂层表面制备厚度为150μm的CrAl涂层，得到样品；
其中，超高速激光熔覆过程中，控制激光扫描速率为60m/min，激光功率为3000W，光斑面积为3mm2，送粉率为30g/min，氩气流量为25L/min，搭接率为30%；
6）、超高速激光熔覆后，将样品置于磨床上，对CrAl涂层进行磨削加工后处理，控制CrAl涂层的厚度为20μm，表面粗糙度Ra为0.6μm。
实施例5
本实施例提供了一种核反应堆用锆合金件表面防护涂层，所述防护涂层自内向外包括NbSiCrNiY涂层和CrAl涂层。所述防护涂层的制备方法主要包括以下步骤：
1）、取100mm×100mm×1mm的锆合金板件作为基体材料，用砂纸将锆合金板件表面打磨抛光至粗糙度Ra为0.6μm，除去表面氧化物；然后将锆合金板件置于丙酮中超声清洗10min；
2）、将纯度为99.8%的Nb粉、Si粉、Cr粉、Ni粉、Y粉，按照元素质量百分比Si 5%，Cr5%，Ni 2.5%，Y 0.2%，Nb为余量，分别取合适的质量，置于球磨罐中，在行星球磨机上以300r/min的转速球磨60min，得到平均粒径为45μm的铌基熔覆粉末；
3）、将锆合金板件置于激光熔覆设备的工作台上，将球磨后的铌基熔覆粉末置于激光熔覆设备的送粉器中，在氩气气氛的保护下通过超高速激光熔覆在锆合金板件表面制备厚度为20μm的NbSiCrNiY涂层；
其中，超高速激光熔覆过程中，控制激光扫描速率为10m/min，激光功率为1600W，光斑面积为2mm2，送粉率为10g/min，氩气流量为10L/min，搭接率为30%；
4）、超高速激光熔覆后，将熔覆有NbSiCrNiY涂层的锆合金板件置于磨床上，对NbSiCrNiY涂层进行磨削加工后处理，控制NbSiCrNiY涂层的厚度为10μm，涂层表面粗糙度Ra为0.2μm；
5）、将熔覆有NbSiCrNiY涂层的锆合金板件置于激光熔覆设备的工作台上，将平均粒径为45μm的铬基熔覆粉末（Al的质量百分比为30%，Cr的质量百分比为70%）置于激光熔覆设备的送粉器中，在氩气气氛的保护下通过超高速激光熔覆在NbSiCrNiY涂层表面制备厚度为20μm的CrAl涂层，得到样品；
其中，超高速激光熔覆过程中，控制激光扫描速率为10m/min，激光功率为1600W，光斑面积为2mm2，送粉率为10g/min，氩气流量为10L/min，搭接率为30%；
6）、超高速激光熔覆后，将样品置于磨床上，对CrAl涂层进行磨削加工后处理，控制CrAl涂层的厚度为10μm，表面粗糙度Ra为0.2μm。
实施例6
本实施例提供了一种核反应堆用锆合金件表面防护涂层，所述防护涂层自内向外包括NbSiCrNiY涂层和CrAl涂层。所述防护涂层的制备方法主要包括以下步骤：
1）、取100mm×100mm×6mm的锆合金板件作为基体材料，用砂纸将锆合金板件表面打磨抛光至粗糙度Ra为0.8μm，除去表面氧化物；然后将锆合金板件置于丙酮中超声清洗10min；
2）、将纯度为99.8%的Nb粉、Si粉、Cr粉、Ni粉、Y粉，按照元素质量百分比Si 25%，Cr15%，Ni 5%，Y 1%，Nb为余量；分别取合适的质量，置于球磨罐中，在行星球磨机上以350r/min的转速球磨60min，得到平均粒径为110μm的铌基熔覆粉末；
3）、将锆合金板件置于激光熔覆设备的工作台上，将球磨后的铌基熔覆粉末置于激光熔覆设备的送粉器中，在氩气气氛的保护下通过超高速激光熔覆在锆合金板件表面制备厚度为500μm的NbSiCrNiY涂层；
其中，超高速激光熔覆过程中，控制激光扫描速率为100m/min，激光功率为5000W，光斑面积为15mm2，送粉率为100g/min，氩气流量为50L/min，搭接率为75%；
4）、超高速激光熔覆后，将熔覆有NbSiCrNiY涂层的锆合金板件置于磨床上，对NbSiCrNiY涂层进行磨削加工后处理，控制NbSiCrNiY涂层的厚度为100μm，表面粗糙度Ra为3.6μm；
5）、将熔覆有NbSiCrNiY涂层的锆合金板件置于激光熔覆设备的工作台上，将平均粒径为110μm的铬基熔覆粉末（其中，Al的质量百分比为40%，Cr的质量百分比为60%）置于激光熔覆设备的送粉器中，在氩气气氛的保护下通过超高速激光熔覆在NbSiCrNiY涂层表面制备厚度为500μm的CrAl涂层，得到样品；
其中，超高速激光熔覆过程中，控制激光扫描速率为100m/min，激光功率为5000W，光斑面积为15mm2，送粉率为100g/min，氩气流量为50L/min，搭接率为75%；
6）、超高速激光熔覆后，将样品置于磨床上，对CrAl涂层进行磨削加工后处理，控制CrAl涂层的厚度为100μm，表面粗糙度Ra为3.6μm。
对比例1
本对比例中，取100mm×100mm×2mm的锆合金板件作为基体材料，用砂纸将锆合金板件表面打磨抛光至粗糙度Ra为0.8μm，除去表面氧化物；然后将锆合金板件置于丙酮中超声清洗10min，即得到最终产品。即本对比例只对锆合金板件进行表面预处理，而不进行涂层熔覆。
对比例2
本对比例提供了一种核反应堆用锆合金件表面防护涂层，所述防护涂层仅包括CrAl涂层，所述防护涂层的制备方法主要包括以下步骤：
1）取100mm×100mm×2mm的锆合金板件作为基体材料，用砂纸将锆合金板件表面打磨抛光至粗糙度Ra为0.8μm，除去表面氧化物；然后将锆合金板件置于丙酮中超声清洗10min；
2）、将锆合金板件置于激光熔覆设备的工作台上，将平均粒径为60μm的铬基熔覆粉末（Al的质量百分比为40%，Cr的质量百分比为60%）置于激光熔覆设备的送粉器中，在氩气气氛的保护下通过超高速激光熔覆在锆合金件表面制备厚度为150μm的CrAl涂层，得到样品；
其中，超高速激光熔覆过程中，控制激光扫描速率为60m/min，激光功率为3000W，光斑面积为3mm2，送粉率为30g/min，氩气流量为25L/min，搭接率为50%；
3）、超高速激光熔覆后，将样品置于磨床上，对CrAl涂层进行磨削加工后处理，控制CrAl涂层的厚度为20μm，表面粗糙度Ra为1.6μm。
对实施例1-6及对比例1-2所制备的最终产品在360℃/18.9MPa的高温高压水中进行热腐蚀性能测试，结果如表1所示。
对实施例1-6及对比例1-2所制备的最终产品在1200℃的常压水蒸汽环境中氧化15min、30min、45min、60min和120min，各氧化时间的氧化增重结果如表1所示。对于核反应堆泄露这种突发状况，能够抵抗120min的高温氧化即说明锆合金件具备优良的抗长期高温氧化性能。
表1 实施例1-6及对比例1-2所制备的最终产品性能测试结果
通过表1可以看出，在1200℃条件下，对比例1的氧化增重是实施例1-6所制备产品的2倍以上，说明本发明中的两种熔覆方法（只熔覆NbSiCrNiY涂层或熔覆NbSiCrNiY/CrAl涂层）均能为锆合金基体提供较优的抗长期高温氧化防护性能。在360℃/18.9MPa高压水条件下，对比例1的腐蚀增重是实施例1-6所制备产品的2倍以上，说明两种熔覆方法均能为锆合金基体提供较优的抗热腐蚀防护性能；其中，实施例3-6所制备产品的腐蚀增重小于实施例1-2所制备产品的腐蚀增重，表明在NbSiCrNiY涂层表面再熔覆一层CrAl涂层，锆合金件的抗热腐蚀性能更优。同时，通过表1可知，在1200℃氧化不大于60min时，对比例2的氧化增重小于对比例1的氧化增重，但在1200℃氧化120min时，对比例2的氧化增重大于对比例1的氧化增重，说明在锆合金件表面直接熔覆CrAl涂层虽然在短时间内能够为锆合金基体提供防护作用，但抗长期高温氧化性能弱于未熔覆涂层的锆合金基体。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非随本发明作任何形式上的限制。凡根据本发明的实质所做的等效变换或修饰，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种核反应堆用锆合金件表面防护涂层，其特征在于：所述防护涂层包括由铌基熔覆粉末通过超高速激光熔覆技术在锆合金件表面制备而成的、厚度为20-500μm的NbSiCrNiY涂层；
其中，铌基熔覆粉末中各成分的质量百分比为：Si 5～25%，Cr 5~15%，Ni 2.5~5%，Y0.2~1%，余量为Nb；
其中，超高速激光熔覆制备NbSiCrNiY涂层的具体工艺参数为：激光扫描速率为10m/min~100m/min，激光功率为1600W~5000W，光斑面积为2~15mm2，送粉率为10~100g/min，保护气体流量为10~50L/min，搭接率为30~75%。
2.根据权利要求1所述的一种核反应堆用锆合金件表面防护涂层，其特征在于，铌基熔覆粉末的平均粒径为45~110μm。
3.根据权利要求1所述的一种核反应堆用锆合金件表面防护涂层，其特征在于，在进行超高速激光熔覆前，先对锆合金件进行预处理；
预处理的具体方法为：用砂纸将锆合金件表面打磨抛光至粗糙度Ra为0.6~0.8μm，以除去表面氧化物，然后置于丙酮中进行超声清洗。
4.根据权利要求1所述的一种核反应堆用锆合金件表面防护涂层，其特征在于，对NbSiCrNiY涂层进行磨削加工后处理，控制NbSiCrNiY涂层的厚度为10~100μm，表面粗糙度Ra为0.2~3.6μm。
5.根据权利要求4所述的一种核反应堆用锆合金件表面防护涂层，其特征在于，所述防护涂层还包括厚度为20-500μm的CrAl涂层，是由铬基熔覆粉末通过超高速激光熔覆技术在磨削加工后的NbSiCrNiY涂层表面制备而成的；
其中，铬基熔覆粉末中各成分的质量百分比为：Al 10~40%，Cr 60~90%。
6.根据权利要求5所述的一种核反应堆用锆合金件表面防护涂层，其特征在于，超高速激光熔覆制备CrAl涂层的具体工艺参数为：激光扫描速率为10m/min~100m/min，激光功率为1600W~5000W，光斑面积为2~15mm2，送粉率为10~100g/min，保护气体流量为10~50L/min，搭接率为30~75%。
7.根据权利要求5所述的一种核反应堆用锆合金件表面防护涂层，其特征在于，铬基熔覆粉末的平均粒径为45~110μm。
8.根据权利要求5所述的一种核反应堆用锆合金件表面防护涂层，其特征在于，熔覆完成后，对CrAl涂层进行磨削加工后处理，控制CrAl涂层的厚度为10~100μm，涂层表面的粗糙度Ra为0.2~3.6μm。
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