CZ28728U1 - Antikorozní ochranná vrstva povrchu slitiny Zr Snl% Nbl% - Google Patents
Antikorozní ochranná vrstva povrchu slitiny Zr Snl% Nbl% Download PDFInfo
- Publication number
- CZ28728U1 CZ28728U1 CZ2015-31338U CZ201531338U CZ28728U1 CZ 28728 U1 CZ28728 U1 CZ 28728U1 CZ 201531338 U CZ201531338 U CZ 201531338U CZ 28728 U1 CZ28728 U1 CZ 28728U1
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- layer
- polycrystalline diamond
- nbl
- percent
- alloy
- Prior art date
Links
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 title description 6
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 title description 6
- 229910001257 Nb alloy Inorganic materials 0.000 title 1
- 230000003449 preventive effect Effects 0.000 title 1
- 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 24
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 24
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 13
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 239000011241 protective layer Substances 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 Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 7
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 6
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 5
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 4
- 238000001237 Raman spectrum Methods 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 3
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 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
- 229910001928 zirconium oxide Inorganic materials 0.000 description 3
- 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
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 description 2
- 230000000717 retained effect Effects 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- 238000005411 Van der Waals force Methods 0.000 description 1
- 229910001093 Zr alloy Inorganic materials 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
- 230000008021 deposition 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
- 239000007789 gas Substances 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
- 238000002161 passivation Methods 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 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
- Chemical Vapour Deposition (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Description
Oblast techniky
Předkládané řešení se týká ochrany povrchu slitiny Zr Snl% Nbl% proti nežádoucím, zejména korozním, změnám a procesům.
Dosavadní stav techniky
Slitiny Zr Snl% Nbl% jsou standardně vystavovány vysokým tlakům, teplotám, radiaci a specifickému chemickému prostředí. Je tedy vhodné omezit korozi povrchu slitiny Zr Snl% Nbl% a v některých případech zabránit reakci mezi povrchem slitiny Zr Snl% Nbl% a vodní párou. Zejména v parním prostředí při teplotách nad 800 °C dochází k takzvané vysokoteplotní oxidaci, která může mít za následek až kompletní zničení slitiny. Jedná se o silně exotermickou a vysoce autokatalytickou reakci mezi povrchem slitiny Zr Snl% Nbl% a vodní párou, během které dochází již ke značné disociaci molekul vodní páry a následnému vzniku oxidu zirkoničitého, vodíku a uvolnění velkého množství reakčního tepla. Doposud se otázka omezení koroze povrchu slitiny Zr Snl% Nbl% neřešila.
Podstata technického řešení
Výše uvedené nevýhody odstraňuje pokrytí povrchu zirkoniových slitin Zr Snl% Nbl% ochrannou vrstvou, která je vytvořená homogenní polykrystalickou diamantovou vrstvou připravenou depozicí v mikrovlnném plazmatu. Tato diamantová vrstva má tloušťku v rozmezí 100 nm 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.m^.K'1.
Použitím této ochranné homogenní polykrystalické diamantové vrstvy jsou slitiny Zr Snl% Nbl% chráněny proti nežádoucím změnám a procesům. Polykrystalická diamantová vrstva chrání povrch slitin Zr Snl% Nbl% před vysokoteplotní korozí. Vrstva polykrystalického diamantu zabrání také reakci mezi povrchem slitiny Zr Snl% 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 Snl% Nbl% vysokým teplotám zvyšuje odolnosti vůči vysokoteplotní oxidaci.
Objasnění výkresů
Uvedené řešení bude dále ilustrováno pomocí Obr. 1 a Obr. 2A a 2B. Na Obr. 1 je Ramanovo spektrum na dvou místech homogenní polykrystalické diamantové vrstvy pokrývající vzorek palivového článku ze slitiny Zr Snl% Nbl%. Na obr. 2A a 2B je vidět přechod mezi povrchem slitiny ZrSnl%Nbl%a ochrannou polykrystalickou diamantovou vrstvou pořízený skenovacím elektronovým mikroskopem, a to pro vzorek v základním stavu, Obr. 2A, i pro vzorek po simulaci standardních i havarijních podmínek v jaderném reaktoru, Obr. 2B.
Příklady uskutečnění technického řešení
Navrhovaným řešením a předmětem tohoto užitného vzoru je ochrana povrchu slitin Zr Snl% Nbl% polykrystalickou diamantovou vrstvou. Diamant má vysokou tepelnou vodivost a stabilitu, nízkou chemickou reaktivitu a nedegraduje s časem. Povrch prvků ze slitin Zr Snl% Nbl% bude pokryt homogenní polykrystalickou diamantovou vrstvu připravenou pomocí metody depo-1 CZ 28728 U1 zice v mikrovlnném plazmatu s typickým sloupcovým charakterem růstu diamantových krystalitů. Metoda depozice v mikrovlnném plazmatu, znamená, že diamant je deponován na substrát o nízké teplotě 250 až 500 °C z mikrovlnného plazmatu připraveného rozkladem směsi metanu a pracovních plynů v mikrovlnném poli.
Polykrystalická diamantová vrstva vhodná pro ochrana povrchu slitin Zr Snl% 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.nú.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 šestereěné 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 Snl% Nbl%. Polykrystalická diamantová vrstva dále omezí především nežádoucí vysokoteplotní chemickou reaktivitu povrchu slitiny Zr Snl% Nbl%, a tím i vysokoteplotní oxidaci vodní párou s následným vznikem oxidu zirkoničitého a výbušného vodíku. Pri teplotně vyvolaných změnách slitiny Zr Snl% 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 kalem slitiny Zr Snl% 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. 2A a 2B.
Vzorek palivového článku ze slitiny Zr Snl% Nbl%, homogenně pokrytý 300 nm tlustou polykrystalickou diamantovou vrstvou metodou depozice v mikrovlnném plazmatu, je uveden na Obr. 1. Jedná se o Ramanovo spektrum na dvou místech homogenní polykrystalické diamantové vrstvy pokrývající vzorek palivového článku ze slitiny Zr Snl% 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 Ramenových spekter ukazují vibrační stavy různých fází uhlíku v ochranné vrstvě po expozici v prostředí simulujícím teplotně-tlakové podmínky v jaderném reaktoru. Po simulaci havarijních podmínek (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.
-2CZ 28728 Ul
Na obr. 2A a 2B je vidět přechod mezi povrchem slitiny Zr Snl% Nbl% a ochrannou polykrystalickou diamantovou vrstvou pořízený skenovacím elektronovým mikroskopem, a to pro vzorek v základním stavu, Obr. 2A, i pro vzorek po simulaci standardních i havarijních podmínek v jaderném reaktoru, Obr. 2B. Je patrné, že krycí vrstva je zachována i po expozici v páře pri teplotě
950 °C. 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 Snl% Nbl% homogenní polykrystalickou diamantovou ío 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. Antikorozní ochranná vrstva povrchu slitiny Zr Snl% Nbl%, používané v jaderných reaktorech, vyznačující se tím, že je tvořená homogenní polykrystalickou diamantovou15 vrstvou nadeponovanou v mikrovlnném plazmatu a mající tloušťku v rozmezí 100 nm až 50 pm, kde velikost krystalických zrn ve vrstvě jev rozmezí 10 až 500 mn, přičemž 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.nú.K'1.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2015-31338U CZ28728U1 (cs) | 2015-07-20 | 2015-07-20 | Antikorozní ochranná vrstva povrchu slitiny Zr Snl% Nbl% |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2015-31338U CZ28728U1 (cs) | 2015-07-20 | 2015-07-20 | Antikorozní ochranná vrstva povrchu slitiny Zr Snl% Nbl% |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CZ28728U1 true CZ28728U1 (cs) | 2015-10-19 |
Family
ID=54361318
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CZ2015-31338U CZ28728U1 (cs) | 2015-07-20 | 2015-07-20 | Antikorozní ochranná vrstva povrchu slitiny Zr Snl% Nbl% |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CZ (1) | CZ28728U1 (cs) |
-
2015
- 2015-07-20 CZ CZ2015-31338U patent/CZ28728U1/cs not_active IP Right Cessation
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CZ305059B6 (cs) | Vrstva, chránící povrch zirkoniových slitin užívaných v jaderných reaktorech | |
| Kota et al. | Isothermal and cyclic oxidation of MoAlB in air from 1100° C to 1400° C | |
| Wang et al. | Metal immiscibility route to synthesis of ultrathin carbides, borides, and nitrides | |
| Mirandou et al. | Characterization of the reaction layer in U–7wt% Mo/Al diffusion couples | |
| Liu et al. | Effect of air exposure on hydrogen storage properties of catalyzed magnesium hydride | |
| Yeom et al. | Evolution of multilayered scale structures during high temperature oxidation of ZrSi2 | |
| Silva et al. | Brittle nature and the related effects of zirconium hydrides in Zircaloy-4 | |
| Kim et al. | High-temperature oxidation behaviors of ZrSi2 and its coating on the surface of Zircaloy-4 tube by laser 3D printing | |
| Lin et al. | Oxidation resistance of WB and W2B-W neutron shields | |
| CZ28728U1 (cs) | Antikorozní ochranná vrstva povrchu slitiny Zr Snl% Nbl% | |
| Demkowicz et al. | High temperature interface reactions of TiC, TiN, and SiC with palladium and rhodium | |
| Bai et al. | A theoretical investigation and synthesis of layered ternary carbide system U-Al-C | |
| Yi et al. | A self-passivating W-Si-Y alloy: Microstructure and oxidation resistance behavior at high temperatures | |
| CZ28727U1 (cs) | Ochranná vrstva Zr Nbl% proti nežádoucím korozním procesům | |
| CZ27964U1 (cs) | Polykrystalická diamantová vrstva chránící povrch zirkonových slitin M5 | |
| CZ29370U1 (cs) | Ochrana povrchu zirkoniových slitin polykrystalickými diamantovými filmy proti korozním změnám v prostředí tlakovodních jaderných reaktorů | |
| Angerer et al. | Residual stress of ruthenium powder samples compacted by spark-plasma-sintering (SPS) determined by X-ray diffraction | |
| CZ26367U1 (cs) | Vrstva chránící povrch zirkoniových slitin užívaných v jaderných reaktorech | |
| Zhorin et al. | DSC and X-ray Diffraction Study of a Mixture of Aluminum with 50 wt% of Aluminum Oxide after Plastic Deformation under High Pressure | |
| ZHANG | Qing YE | |
| Harper et al. | Lowering Onset Temperature and Improving Oxidation of Aluminum Alloys Containing Gallium and Indium | |
| Songa et al. | An Investigation into the Cause for the Hydrothermal Corrosion of CrxAl1-x diffused CVD SiC | |
| Chen et al. | Rasi nski | |
| Jee et al. | Improvement of the zirconium diffusion barrier between lanthanide (La–Ce) and a clad material by hydrothermal crystallization | |
| IZERROUKEN et al. | RADIATION DAMAGE EFFECT ON STRUCTURAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF INERT ZrN LAYER: CORROSION MITIGATION IN LBE COOLING ENVIRONMENT |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FG1K | Utility model registered |
Effective date: 20151019 |
|
| MK1K | Utility model expired |
Effective date: 20190720 |