CZ28727U1 - Ochranná vrstva Zr Nbl% proti nežádoucím korozním procesům - Google Patents
Ochranná vrstva Zr Nbl% proti nežádoucím korozním procesům Download PDFInfo
- Publication number
- CZ28727U1 CZ28727U1 CZ2015-31337U CZ201531337U CZ28727U1 CZ 28727 U1 CZ28727 U1 CZ 28727U1 CZ 201531337 U CZ201531337 U CZ 201531337U CZ 28727 U1 CZ28727 U1 CZ 28727U1
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- layer
- polycrystalline diamond
- alloy
- nbl
- diamond layer
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 7
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 title claims description 7
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 36
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 claims description 34
- 239000010432 diamond Substances 0.000 claims description 34
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 22
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 22
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 13
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 claims description 6
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 claims description 6
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 6
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims description 3
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 claims description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 7
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 5
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 5
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 5
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000001237 Raman spectrum Methods 0.000 description 4
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 3
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 3
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 3
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 3
- RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Zr+4] RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- OANVFVBYPNXRLD-UHFFFAOYSA-M propyromazine bromide Chemical compound [Br-].C12=CC=CC=C2SC2=CC=CC=C2N1C(=O)C(C)[N+]1(C)CCCC1 OANVFVBYPNXRLD-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- 229910001928 zirconium oxide Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910001093 Zr alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 2
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 description 2
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 238000005411 Van der Waals force Methods 0.000 description 1
- 238000005844 autocatalytic reaction Methods 0.000 description 1
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 230000007850 degeneration Effects 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 1
- 239000002360 explosive Substances 0.000 description 1
- 210000002816 gill Anatomy 0.000 description 1
- 230000012010 growth Effects 0.000 description 1
- 230000007773 growth pattern Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 1
- 125000004435 hydrogen atom Chemical group [H]* 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 238000002161 passivation Methods 0.000 description 1
- 238000010791 quenching Methods 0.000 description 1
- 230000000171 quenching effect Effects 0.000 description 1
- 230000000717 retained effect Effects 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- 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
Landscapes
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
- Chemical Vapour Deposition (AREA)
Description
Oblast techniky
Předkládané řešení se týká ochrany povrchu zirkoniové slitiny Zr Nbl% proti nežádoucím, zejména korozním, změnám a procesům.
Dosavadní stav techniky
Slitiny Zr Nbl%, jejichž složení je 1 % Nb, 0,12 % Fe, 0,13 % O, zbytek Zr, jsou standardně vystavovány vysokému tlaku, teplotě a specifickému vodnímu prostředí. Je tedy třeba omezit korozi povrchu slitiny Zr Nbl% a zabránit reakci mezi povrchem slitiny Zr Nbl% a vodní párou. Zejména v parním prostředí při teplotách nad 800 °C dochází k tak zvané vysokoteplotní oxidaci, která může mít za následek zničení slitiny. Jedná se o silně exotermickou a vysoce autokatalytickou reakci mezi povrchem slitiny Zr Nhl% a vodní párou, během které dochází již ke značné disociaci molekul vodní páry a následnému vzniku oxidu zirkoničitého, vodíku a uvolnění velkého množství tepla. Doposud se otázka omezení koroze povrchu slitiny Zr Nbl% neřešila.
Podstata technického řešení
Výše uvedené nevýhody odstraňuje pokrytí povrchu zirkoniových slitin Zr Nbl% ochrannou vrstvou, která je tvořená homogenní polykrystalickou diamantovou vrstvou připravenou metodou depozice z plynné fáze bez použití seedingu, tedy bez mechanického nanesení zárodků pro růst krystalů před depozicí. Tato diamantová vrstva má tloušťku v rozmezí 100 mn až 50 pm, kde velikost krystalických zm ve vrstvě je v rozmezí 10 nm až 500 nm. Maximální obsah nediamantového uhlíku je 25 mol. %, celkový obsah neuhlíkových nečistot je maximálně do 0,5 mol. %, povrchová drsnost polykrystalické diamantové vrstvy má hodnotu RMS drsnosti menší než 80 nm a tepelná vodivost vrstvy se pohybuje v rozmezí 1000 až 1900 W.mÝK'1.
Použitím této ochranné homogenní polykrystalické diamantové vrstvy jsou slitiny Zr Nbl% chráněny proti nežádoucím změnám a procesům. Polykrystalická diamantová vrstva chrání povrch slitin Zr Nbl% před vysokoteplotní korozí, při níž dochází k mechanickému selhání celého systému. Vrstva polykrystalického diamantu žábrám také reakci mezi povrchem slitiny Zr Nbl % a vodní párou. Během této reakce dochází k disociaci molekul vodní páry a následnému vzniku oxidu zirkoničitého, vodíku a uvolnění velkého množství tepla. Ochranná vrstva tedy brání vzniku vodíku, a zároveň brání uvolnění velkého množství reakčního tepla.
Navrhované řešení prodlouží životnost komponentů a v případě vystavení slitiny Zr Nbl% vysokým teplotám zvyšuje odolnosti vůči vysokoteplotní oxidaci.
Objasnění výkresů
Uvedené řešení bude dále ilustrováno pomocí Obr. 1 a Obr. 2. Na Obr. 1 je Ramanovo spektrum na dvou místech homogenní polykrystalické diamantové vrstvy pokrývající vzorek palivového článku ze slitiny Zr Nbl%. Na Obr. 2 je vidět povrch ochranné polykrystalické diamantové vrstvy připravenou metodou bez použití seedingu.
Příklady uskutečněni technického řešení
Navrhovaným řešením a předmětem tohoto užitného vzoru je ochrana povrchu slitin Zr Nbl% polykrystalickou diamantovou vrstvou. Diamant má vysokou tepelnou vodivost a stabilitu, nízkou chemickou reaktivitu a nedegraduje s časem. Povrch prvků ze slitin Zr Nbl% bude pokryt homogenní polykrystalickou diamantovou vrstvu připravenou pomocí metody Chemical vapor deposition (CVD), s typickým sloupcovým charakterem růstu diamantových krystalitů. Metoda CVD, tedy depozice z plynné fáze, znamená, že diamant je připraven rozkladem směsi metanu
-1 CZ 28727 Ul a pracovních plynů, za sníženého tlaku od 0,001 kPa do 10 kPa a při relativně nízké teplotě substrátu, typicky 250 až 1000 °C.
Polykrystalická diamantová vrstva vhodná pro ochranu povrchu slitin Zr Nbl% má tloušťku 100 nm až 50 pm a velikost krystalických zrn ve vrstvě je v rozmezí 10 nm až 500 nm. Chemickým složením lze vrstvu specifikovat na základě maximálního obsahu nediamantového uhlíku, kterého obsahuje maximálně 25 mol. %, a celkovým obsahem neuhlíkových nečistot o maximální hodnotě do 0,5 mol. %. Povrchová drsnost polykrystalické diamantové vrstvy nesmí překračovat hodnotu RMS drsnosti 80 nm. Tepelná vodivost vrstvy se pohybuje v rozmezí 1000 až 1900 W.nU.K'1.
Krystalický diamant má pevnou a rigidní izotropní strukturu, tedy má krychlovou krystalickou soustavu, sestávající z uhlíků vázaných pevnými kovalentními vazbami. Naproti tomu uhlíkové atomy v anizotropním grafitu jsou vázány různými σ a π vazbami šesterečné krystalické soustavy. V rámci specifické konfigurace je jeden elektron slaběji vázán a přispívá tak k podstatně vyšší elektrické vodivosti grafitu ve srovnání s diamantem. Celý systém je tvořen stabilními rovinnými strukturami, vzájemně vázanými Van der Waalsovými silami, čímž vznikne tak měkký, poddajný a zároveň odolný materiál.
Za standardních provozních podmínek jaderného reaktoru si polykrystalická diamantová vrstva zachová své původní vlastnosti a bude se podílet jednak na odvodu tepla, uvolněného v reaktoru, a zároveň bude chránit pokrytý povrch před nežádoucími chemickými reakcemi a změnami složení struktury, souvisejícími s difúzí atomů vodíku z disociovaných molekul vody do slitiny Zr Nbl%. Polykrystalická diamantová vrstva dále omezí především nežádoucí vysokoteplotní chemickou reaktivitu povrchu slitiny Zr Nbl%, a tím i vysokoteplotní oxidaci vodní párou s následným vznikem oxidu zirkoničitého a výbušného vodíku. Při teplotně vyvolaných změnách slitiny Zr Nbl% bude výhodou směsný charakter ochranné uhlíkové vrstvy, který kromě krystalických diamantových zrn sp3 hybridizovaného uhlíku obsahuje i pružnou amorfní fázi sp2 hybridizovaného uhlíku, schopnou dobře sledovat objemové změny kovového substrátu, aniž dojde k porušení integrity ochranné vrstvy.
Dojde-li k zahřátí systému na teplotu 950 °C, ochranná polykrystalická diamantová vrstva se zachová. Tato ochranná vrstva zhorší podmínky pro další vysokoteplotní degeneraci povrchu, a to i pasivační vrstvy, případné kalení slitiny Zr Nbl% a dále snižuje pravděpodobnost výbuchu vodíku v prostředí vodní páry.
Dále je uveden příklad konkrétního dopadu použití ochranné polykrystalické homogenní diamantové vrstvy, Obr. 1 a Obr. 2.
Vzorek palivového článku ze slitiny Zr Nbl%, homogenně pokrytý 300 nm tlustou polykrystalickou diamantovou vrstvou metodou depozice z plynné fáze, je uveden na Obr. 1. Jedná se o Ramanovo spektrum na dvou místech homogenní polykrystalické diamantové vrstvy pokrývající vzorek palivového článku ze slitiny Zr Nbl%, a to v základním stavu, křivky a a b, i po vystavení teplotním podmínkám simulujícím prostředí v jaderném reaktoru, křivky c a d. Na Obr. 1 píky Ramanových spekter ukazují vibrační stavy různých fází uhlíku v ochranné vrstvě po expozici vprostředí simulujícím teplotně-tlakové podmínky v jaderném reaktoru. Po simulaci havarijních podmínek při teplotě 950 °C v jaderném reaktoru je krystalický diamant ve vrstvě stále přítomen. Ramanova spektra změřená na různých místech povrchu vzorku potvrzují přítomnost směsi diamantové fáze. Vibrační pík u 1332 cm'1 odpovídá sp3 hybridizovanému uhlíku, dále jen C, to je diamantové fázi ve vrstvě. Vibrace v oblasti 1450 až 1650 cm'1 odpovídají sp2 hybridizovanému C, tedy nediamantové fázi C zastoupené v polykrystalické diamantové vrstvě. Spektra byla získána z různých míst polykrystalickou diamantovou vrstvou pokrytého vzorku bez další úpravy.
Na Obr. 2 je vidět povrch ochranné polykrystalické diamantové vrstvy připravené metodou bez použití seedingu.
-2CZ 28727 Ul
Po simulaci havarijních podmínek v jaderném reaktoru, tedy po zahřátí v parním prostředí na teplotu 950 °C, zachová polykrystalická diamantová vrstva svou integritu, složení i protektivní schopnost.
Průmyslová využitelnost
Výše uvedená ochrana povrchů slitin Zr Nbl% homogenní polykrystalickou diamantovou vrstvou může být aplikována na celou řadu funkčních prvků různých zařízení (např. jaderných reaktorů) zejména v korozním vysokoteplotním parním prostředí.
Claims (1)
- NÁROKY NA OCHRANU1. Ochranná vrstva slitiny Zr Nbl% proti nežádoucím korozním procesům, kde tato slitina je ío používaná v jaderných reaktorech, vyznačující se tím, že je tvořená homogenní polykrystalickou diamantovou vrstvou připravenou metodou depozice z plynné fáze bez použití seedingu a mající tloušťku v rozmezí 100 nm až 50 pm, kde velikost krystalických zrn ve vrstvě je v rozmezí 10 až 500 nm, přičemž maximální obsah nediamantového uhlíku je 25 mol. %, celkový obsah neuhlíkových nečistot je maximálně do 0,5 mol. %, povrchová drsnost polykrysta15 lické diamantové vrstvy má hodnotu RMS drsnosti menší než 80 nm a tepelná vodivost vrstvy se pohybuje v rozmezí 1000 až 1900 W.mÁK'1.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2015-31337U CZ28727U1 (cs) | 2015-07-20 | 2015-07-20 | Ochranná vrstva Zr Nbl% proti nežádoucím korozním procesům |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2015-31337U CZ28727U1 (cs) | 2015-07-20 | 2015-07-20 | Ochranná vrstva Zr Nbl% proti nežádoucím korozním procesům |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CZ28727U1 true CZ28727U1 (cs) | 2015-10-19 |
Family
ID=54361317
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CZ2015-31337U CZ28727U1 (cs) | 2015-07-20 | 2015-07-20 | Ochranná vrstva Zr Nbl% proti nežádoucím korozním procesům |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CZ (1) | CZ28727U1 (cs) |
-
2015
- 2015-07-20 CZ CZ2015-31337U patent/CZ28727U1/cs not_active IP Right Cessation
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP3047046B1 (en) | Use of a zirconium alloy coated with an homogeneous polycrystalline diamond layer for a nuclear reactor | |
| Wang et al. | Metal immiscibility route to synthesis of ultrathin carbides, borides, and nitrides | |
| Feng et al. | Superior high‐temperature strength in a supersaturated refractory high‐entropy alloy | |
| Kota et al. | Isothermal and cyclic oxidation of MoAlB in air from 1100° C to 1400° C | |
| Malherbe | Diffusion of fission products and radiation damage in SiC | |
| Silva et al. | Brittle nature and the related effects of zirconium hydrides in Zircaloy-4 | |
| Li et al. | Mechanical properties and defective effects of bcc V–4Cr–4Ti and V–5Cr–5Ti alloys by first-principles simulations | |
| Zuno-Silva et al. | Kinetics of formation of Fe2B layers on AISI S1 steel | |
| Cekić et al. | Kinetics of hydrogen absorption in Zr-based alloys | |
| Lin et al. | Oxidation resistance of WB and W2B-W neutron shields | |
| CZ28727U1 (cs) | Ochranná vrstva Zr Nbl% proti nežádoucím korozním procesům | |
| CZ28728U1 (cs) | Antikorozní ochranná vrstva povrchu slitiny Zr Snl% Nbl% | |
| Bai et al. | A theoretical investigation and synthesis of layered ternary carbide system U-Al-C | |
| RU2294569C1 (ru) | Микротвэл ядерного реактора | |
| CZ27964U1 (cs) | Polykrystalická diamantová vrstva chránící povrch zirkonových slitin M5 | |
| Singh et al. | Helium ion irradiation effects on microstructure evolution and mechanical properties of silicon oxycarbide | |
| CZ29370U1 (cs) | Ochrana povrchu zirkoniových slitin polykrystalickými diamantovými filmy proti korozním změnám v prostředí tlakovodních jaderných reaktorů | |
| CZ26367U1 (cs) | Vrstva chránící povrch zirkoniových slitin užívaných v jaderných reaktorech | |
| ZHANG | Qing YE | |
| Songa et al. | An Investigation into the Cause for the Hydrothermal Corrosion of CrxAl1-x diffused CVD SiC | |
| Lei et al. | Effect of alloying element on microstructure, mechanical property, and oxidation resistance of Zr─ Me─ C (Me═ Si/Y) coatings | |
| Kratochvílová et al. | Polycrystalline Diamond Coating Protects Zr Cladding Surface Against Corrosion in Water‐Cooled Nuclear Reactors: Nuclear Fuel Durability Enhancement | |
| Fleming | Oxidation‐led decomposition of hexagonal boron nitride coatings on alloy substrates at 900° C: Chromia‐formers | |
| IZERROUKEN et al. | RADIATION DAMAGE EFFECT ON STRUCTURAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF INERT ZrN LAYER: CORROSION MITIGATION IN LBE COOLING ENVIRONMENT | |
| Leide et al. | Effect of microstructure and neutron irradiation defects on deuterium retention in SiC |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FG1K | Utility model registered |
Effective date: 20151019 |
|
| MK1K | Utility model expired |
Effective date: 20190720 |