TWI784529B - 藉由低溫、固態冷噴塗粉末沉積來製造奈米結構化及組成訂製管及組件的方法 - Google Patents
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Abstract
揭示一種用來製造具有多層結構之獨立式護套管的方法。根據該方法，提供界定中空圓柱形內部空間之圓柱形心軸基板。選擇第一冷噴塗粉末金屬。使該圓柱形心軸基板旋轉且將該第一冷噴塗粉末金屬施加至該圓柱形心軸基板之外表面以形成第一層。移除該圓柱形心軸基板。
Description
本揭示大致係關於製造奈米結構化及組成訂製管及組件的方法。更特定言之，本揭示係關於藉由低溫、固態冷噴塗粉末沉積來製造奈米結構化及組成訂製管及組件的方法。應用包括，例如，容置鈾基燃料的核反應器護套管。
習知之熔融及鑄造方法不適用於製造氧化物分散強化(ODS)鋼，因其會導致氧化物奈米粒子的向上分層。圖1繪示用來製造奈米結構化ODS鋼護套管114的方法100。因此，如圖1所示，固態加工方法涉及粉末固結及擠製以製造ODS鋼護套管114的組合。根據方法100，將經碾磨的粉末102裝罐及在真空中於約400°C下脫氣及機械合金化104以製造經封裝入低碳鋼中的機械合金(MA)粉末管106，隨後於約1100°C下熱擠製108。先用氧化物奈米粒子碾磨基質粉末(肥粒鐵型鋼)以產生機械合金化粉末。然後經由裝罐於低碳鋼包裝中來使粉末固結。塊狀材料經歷熱/溫擠製，隨後多次畢格式軋製(pilgering)及中間熱處理以製成最終尺寸。為將管106之直徑及壁厚度減小至最終護套管114尺寸，需要至多5至8之比率的進一步擠製。此係藉由多次在約850°C之溫度下進行的溫擠製108以及用來避免龜裂的中間退火步驟而達成。此等多次擠製108於晶粒結構及機械性質中導致大的各向異性。為產生精細等軸晶粒，需要進一步的冷擠製110與中間退火處理112來誘導再結晶。所有此等擠製步驟本質上係緩慢的低應變速率過程，且經不起ODS鋼護套管114的快速且經濟製造。此外，大量的熱機械步驟會導致護套管114之微結構及性質中的隨機變化。
因此，有需要一種提供用來製造具有可能更均勻之微結構及提高效能之ODS鋼護套管之快速、具成本效益方法的冷噴塗製程。進一步需要將本揭示中說明的基本原理應用於其他組件及材料的近淨形製造。
在一態樣中，本揭示提供一種用來製造具有多層結構之獨立式護套管的方法。該方法包括提供界定中空圓柱形內部空間之圓柱形心軸基板；選擇第一冷噴塗粉末金屬；旋轉該圓柱形心軸基板；將該第一冷噴塗粉末金屬施加至該圓柱形心軸基板之外表面以形成第一層；及移除該圓柱形心軸基板。
除前述外，各種其他方法記載及描述於諸如本揭示之內文(例如，申請專利範圍及/或實施方式)及/或圖式之教示中。
前述係發明內容，及因此可包含細節的簡化、概括、包含、及/或省略；因此，熟悉技藝人士當明瞭發明內容僅係說明性而不欲以任何方式為限制性。文中說明之裝置及/或製程及/或其他標的物的其他態樣、特徵、及優點將可於文中陳述的教示中明白。
此外，應明瞭以下描述之形式、形式之表達、實例的任何一或多者可與其他以下描述之形式、形式之表達、及實例的任何一或多者組合。
前述發明內容僅係說明性而不欲以任何方式為限制性。除了以上描述的說明性態樣、具體例、及特徵外，經由參照圖式及以下實施方式當可明白其他態樣、具體例、及特徵。
在解說用來製造奈米結構化及組成訂製管及組件之方法之各種態樣，及更特定言之，藉由低溫、固態冷噴塗粉末沉積用來製造奈米結構化及組成訂製管及組件之方法之前，詳言之，應注意說明性態樣的應用或用途不受限於附圖及實施方式中說明之部件之構造及配置的細節。說明性態樣可實施或併入在其他態樣、變型和修改中，並可採各種方式實踐或實現。此外，除非特別指出，否則本說明書所使用的術語和表達是為了方便讀者閱讀來描述說明性態樣之目的而選擇，而不是為了對其限制。
此外，應明瞭以下描述之形式、形式之表達、實例的任何一或多者可與其他以下描述之形式、形式之表達、及實例的任何一或多者組合。
在一態樣中，本揭示係關於，如前所述，用來製造奈米結構化及組成訂製管及組件之方法。在其他態樣中，本揭示係關於藉由低溫、固態冷噴塗粉末沉積用來製造奈米結構化及組成訂製管及組件之方法。
氧化物分散強化(ODS)鋼歸因於其之優良高溫強度及輻射穩定性而係用於第IV代核反應器諸如鉛冷式快中子反應器(LFR)、微型反應器、及可能地化石廠鍋爐管應用之良好的護套候選材料。然而，ODS鋼在某些環境中在與該等鋼可提供之經改良高溫強度不相稱之高溫下可能缺乏耐腐蝕性。另外，在核燃料護套應用中，護套管之內表面接觸燃料及隨時間經過在高溫下可歸因於管與燃料材料間之交互擴散而形成低熔點化合物。
涉及熔融及固化之製程由於氧化物顆粒將聚結從而導致大尺度不均勻度而無法產生奈米尺度ODS鋼。產生抗氧化耐腐蝕性塗層或內部擴散障壁塗層之熔融及固化方法會導致喪失ODS鋼的基本奈米結構品質。甚至高溫、高壓固態塗層處理亦會導致類似的效應。
根據本揭示之態樣，使用低溫、固態冷噴塗製程及其係用來維持ODS鋼管護套中之奈米結構的基礎。不同於諸如圖1中所描述之當前的擠製-退火-擠製製程，冷噴塗製程係快速的且可用於快速原型設計/製造。
根據本揭示之態樣，由於免除多個加工步驟而可使微結構中之隨機變化減至最小。不涉及或最低程度地涉及用來製造管的高能輸入及高溫。雖然向低直徑之長管的內表面加襯裡係極具挑戰性的，但在一態樣中，本揭示提供一種藉由在技術上更小、優異、且更具成本效益之替代製程來相當容易地製造低直徑之長管的方法。為於管的內表面上製造襯裡，根據本揭示之製程除去與於兩材料間可能潛在地導致製造期間之應力及龜裂之差別熱機械性質(行為)相關的問題。
根據本揭示之各種態樣之冷噴塗製程可應用於各種類型的粉末形式，包括氣體霧化球形粉末、經球磨、或低溫碾磨的粉末、及經由機械攪磨製造之經後熱處理粉末。此容許最佳化ODS鋼護套管的微結構及用來製造可能不同組成物之組成及功能上分級的外部及內部塗層用於在各種極端環境中之保護。後者大大地擴大高強度ODS護套管用於嚴苛環境中之能力同時亦免除其與燃料直接接觸。
現轉向圖式，圖2繪示根據本揭示之至少一態樣，使用冷(低溫)噴塗製程用來製造具有多層結構之獨立式奈米結構化ODS鋼護套管的冷噴塗製程200。在一態樣中，使用冷噴塗製程200製造的獨立式奈米結構化ODS鋼護套管可包括含有內部襯裡及/或外部塗層的多層結構。一般而言，在使界定中空圓柱形內部空間204之圓柱形心軸基板202繞其縱軸A旋轉的同時將呈各種形式之具有奈米尺寸晶粒結構的粉末材料於低溫下噴塗沉積於圓柱形心軸基板202的表面上。將粉末內部襯裡材料裝載於與粉末噴嘴206流體連通的粉末饋料器/加料漏斗中。在粉末噴嘴206以由箭頭B指示之正向沿圓柱形心軸基板202之長度平移時，粉末噴嘴206噴塗粉末狀內部襯裡材料之射束208。此將內部襯裡層210沉積於圓柱形心軸基板202之外表面上。為增加內部襯裡層210之厚度，可使粉末噴嘴206前後多次平移以沉積額外的內部襯裡材料，直至達到期望厚度的內部層210為止。在另一態樣中，可降低平移速度以增加塗層厚度。一般而言，可藉由調整粉末噴嘴206之平移或橫移速度來控制層厚度。內部襯裡層210材料可係在核能應用中提供擴散障壁的奈米粒子尺寸粉末狀耐火金屬及合金。內部襯裡層210材料包括於鈾及鋼中展現大致上低之固體溶解度且具高熔點的金屬(及合金)，包括，但不限於，耐火合金諸如V、Mo、Mo-Re合金、Ta、Nb、W、Cr、或Zr。
接下來，製造ODS鋼層214，藉由將粉末狀ODS鋼材料裝載於粉末饋料器/加料漏斗中，使圓柱形心軸基板202繞其縱軸A旋轉，及自粉末噴嘴206在其以由箭頭B指示之正向沿圓柱形心軸基板202之長度平移的同時來噴塗粉末狀ODS鋼材料之射束212以使ODS鋼層214沉積於內部襯裡層210上方。為增加ODS鋼層214之厚度，可使粉末噴嘴206前後多次平移以沉積額外的粉末狀ODS鋼材料，直至達到期望厚度的ODS鋼層214為止。ODS鋼層214材料可為奈米結構化鋼粉末且用作核能應用中之護套。ODS鋼層214材料可選自ODS鋼及其他合金 - 利用可例如增進微結構均勻度及性質之新穎的粉末製備方法諸如低溫碾磨。低溫碾磨ODS粉末可產生優異的微結構。
接下來，製造外部層218，藉由將粉末狀外部塗層材料裝載於粉末饋料器/加料漏斗中，使圓柱形心軸基板202繞其縱軸A旋轉，及自粉末噴嘴206在其以由箭頭B指示之正向沿圓柱形心軸基板202之長度平移的同時來噴塗粉末狀外部塗層材料之射束216使外部層218沉積於ODS鋼層214上方當粉末噴嘴206以由箭頭B指示之正向沿其長度平移時使外部層218沉積於ODS鋼層214上方。為增加外部層218之厚度，可使粉末噴嘴206前後多次平移以沉積額外的外部塗層材料，直至達到期望厚度的外部層218為止。外部層218材料可包含在各種環境中為ODS鋼層214提供耐腐蝕性及抗氧化性的粉末狀材料。視應用而定，該等材料包括鉻及其合金、鐵、鉻、釔、矽、鎳、鉬及鎢合金。對於輕水反應器(LWR)應用，外部層218材料可包括Cr、FeCrAl。對於鉛冷式快中子反應器(LFR)應用，外部層218材料可包括Mo、Mo-Re合金、Nb、Ta、FeCrAl、FeCrAlY、FeCrSi。對於熔融鹽反應器(MSR)應用，外部層218材料可包括Ni合金、Mo合金、W合金。對於核熔合反應器應用，外部層218材料可包括Be合金、W合金。
於將外部層218沉積至期望厚度後，取決於心軸材料，藉由化學溶解製程或低溫熱處理在以箭頭C指示之方向中移除圓柱形心軸基板202，更詳細地論述於下文。此留下具有多層結構的獨立式ODS鋼護套管230。在其他態樣中，可採用冷噴塗製程200來製造獨立式整體式ODS鋼護套管。
可採用冷噴塗製程200來製造任何適當長度的獨立式ODS鋼護套管230。可藉由冷噴塗製程200製造之管的長度取決於圓柱形心軸基板202之長度及粉末噴嘴206的平移限制。在核能應用中，可選擇獨立式ODS鋼護套管230之長度以適應典型核反應器之核心中之各種長度的核燃料棒。在本揭示之一態樣中，獨立式ODS鋼護套管230之長度可選自1.5 m (~5 英呎)至5 m (~16.4 英呎)之範圍。在另一態樣中，長度可選自2.5 m (~8.2 英呎)至3.5 m (~11.5 英呎)之範圍。在其他態樣中，長度可經選擇為4 m (~13 英呎)以適應典型尺寸的核燃料棒。
在本揭示之一些態樣中，獨立式ODS鋼護套管230可經由施行改變內部襯裡、ODS鋼、及外部塗層材料之物理及化學性質的熱處理來退火。典型的退火過程涉及加熱220獨立式ODS鋼護套管230至高於預定溫度及維持適當溫度222持續適當時間長度，然後冷卻。此達成緻密微結構、精細再結晶晶粒、及氧化物奈米粒子沉澱。
冷噴塗製程200中之重要變數包括推進氣體、氣體預熱溫度及壓力、及粉末形狀、粉末粒度及大小分佈、及粉末的組成均勻度。
在一態樣中，根據本揭示之冷噴塗製程200提供用來移除圓柱形心軸基板202之高度獨特的溶解過程。在另一態樣中，心軸基板202可由可藉由熱處理移除的低熔點金屬製成。替代使用實心心軸，圓柱形心軸基板202係界定中空圓柱形內部空間204的管且係由鋁合金材料製成。於將最終材料層沉積於圓柱形心軸基板202上之後，習知使用氫氧化鈉溶液將鋁合金圓柱形心軸基板202管自內部溶解掉，從而留下獨立式ODS鋼護套管230。在圖2中揭示的實例中，最終層的沉積層係外部層218。在其他態樣中，最終沉積層可係內部層210或ODS鋼層214。一般而言，心軸基板202材料可包括具有低熔點或低沸點的金屬(及合金)，及易溶解於無毒性環境友善溶劑中的金屬(及合金)。關於化學溶解移除，心軸基板202材料可包括Al、Al合金及Mg、Mg合金。關於藉由加熱至高於其熔點(~420 °C)的移除，心軸基板202材料可包括Zn及Zn合金。
圖3係根據本揭示之至少一態樣，使用繪示於圖2中之冷噴塗製程200製造之具有多層結構之獨立式ODS鋼護套管230的截面圖。獨立式ODS鋼護套管230包括根據參照圖2描述之冷噴塗製程200形成的內部層210、ODS鋼層214、及外部層218。在一態樣中，獨立式ODS鋼護套管230之直徑(2r)係選自8 mm (~0.3 英吋) 至15 mm (~0.6 英吋)之範圍。層210、214、218之厚度t1
、t2
、t3
可界定如下。在一態樣中，內部層210(例如，耐火材料層)之厚度t1
係選自10 μm (~3.94 x 10-4
英吋)至200 μm (~7.87 x 10-3
英吋)之範圍。在一態樣中，ODS鋼層214(例如，護套層)之厚度t2
係選自200 μm (~7.87 x 10-3
英吋)至1.00 mm (~3.94 x 10-2
英吋)之範圍。在一態樣中，外部層218(例如，腐蝕保護層)之厚度t3
係選自1 μm (~3.94 x 10-5
英吋)至100 μm (~3.94 x 10-3
英吋)之範圍。內部層210充作擴散障蔽且該材料可係包括釩、鉭、錸、鈮、鎢、鉻、鋯、或鉬、或其組合的耐火金屬。ODS鋼層214護套材料可包含，例如，ODS鋼。外部層218材料可包含，例如，鉻或鉻合金。藉由冷噴塗製程200以固態產生之圖3所示之三材料系統提供傑出的高溫強度、耐腐蝕性、及內部層來防止燃料遷移進入護套中從而導致在低溫下的熔融區域。參照圖4及5更詳細地說明內部層210、ODS鋼層214、及外部層218的組成。
組成分級管，諸如獨立式ODS鋼護套管230，可根據參照圖2描述的冷噴塗製程200來製造。例如，圖3中顯示具有顯露多個材料層之橫截面的組成分級管。如圖3所示，獨立式ODS鋼護套管230內部襯有在ODS鋼層214與核燃料之間提供擴散障蔽的內部層210。獨立式ODS鋼護套管230包含充作保護性外部層的外部層218，其在高溫、腐蝕性、及氧化性環境中向獨立式ODS鋼護套管230提供耐腐蝕性/抗氧化性。
替代的技術係相當麻煩的。歸因於緩慢的製程及尤其對於窄直徑管之塗層厚度的不均勻性，管之內表面的塗覆係相當困難的。可使用共擠製，但其需要大量資源(例如，能源、力、時間)。歸因於兩種材料間之熱機械性質的不匹配，共擠製亦係具技術挑戰性的過程，其可能導致於製程期間的管失效。襯裡的共擠製可能需要相當大的力，使製程減慢，且對於長管可能不可行以及稍早論述的所有相關缺點。此外，為於管的內表面上製造襯裡，參照圖2描述的冷噴塗製程200除去與兩種材料之間可能潛在地於製造期間導致應力及龜裂之差別機械性質(行為)相關的問題。
在一態樣中，內部層210材料係釩或釩合金，因其對於核反應器之適用性。然而，內部層210材料不受限於此。在核反應器中，將二氧化鈾燃料顆粒置於ODS鋼護套管內部。隨時間經過，燃料膨脹且與護套之內表面接觸且將於兩者之間發生化學反應。此係不期望的，因此一反應會導致於界面處形成低熔點化合物。獨立式ODS鋼護套管230之釩內部層210係防止此一反應發生的優異障壁。在工業中存在許多其他應用的組成訂製管，諸如獨立式ODS鋼護套管230，可滿足於嚴苛環境中通常需要之多個性質需求。
類似地，可預期獨立式ODS鋼護套管230之外表面將暴露至相當嚴苛的高溫氧化性環境且將需要於獨立式ODS鋼護套管230預期將使用之高溫下提供耐腐蝕性的外部層218塗層。在此同樣地，高溫方法不適用，因其將會影響基礎ODS鋼的奈米結構。
參照圖2描述之冷噴塗製程200提供製造此等抗氧化性塗層之快速、具成本效益的路徑。此塗層的一實例示於圖4，其係根據本揭示之至少一態樣，包含具有保護性外部層218塗層之ODS鋼層214材料之獨立式ODS鋼護套管300的顯微照片截面圖，該保護性外部層218塗層包含使用圖2之冷噴塗製程製造之鐵鉻鋁合金(FeCrAl或Fe20Cr5Al)。雖然內部層210由於尺度考量而未示於圖4，但其位於ODS鋼層214下方。此塗層的另一實例示於圖5，其係根據本揭示之至少一態樣，包含具有保護性外部層218塗層之ODS鋼層214材料之獨立式ODS鋼護套管302的顯微照片截面圖，該保護性外部層218塗層包含使用圖2之冷噴塗製程製造之鉻(Cr)。雖然內部層210由於尺度考量而未示於圖4，但其位於ODS鋼層214下方。諸如FeCrAl、Fe20Cr5Al、或純Cr金屬的保護性外部層218於高溫環境中向ODS鋼護套管230提供耐腐蝕性/抗氧化性。
圖6-8繪示取決於粉末製造方法之ODS鋼原料粉末的形態及尺寸，其中圖6係藉由氣體霧化製程製造之ODS鋼原料粉末402的顯微照片圖400，圖7係經由球磨圖6中顯示之具有氧化物奈米粒子(例如，Y2O3)之氣體霧化粉末402所製造之ODS鋼原料粉末422的顯微照片圖420，及圖8係經由低溫碾磨圖7中顯示之經球磨氣體霧化粉末422所製造之ODS鋼原料粉末442的顯微照片圖440。取決於原料粉末形式的類型，藉由圖2之冷噴塗製程200製造之ODS鋼護套管230的性質將改變。圖6中顯示之鋼原料粉末402的尺度為40μm，圖7中顯示之鋼原料粉末422的尺度為400μm，及圖8中顯示之鋼原料粉末442的尺度為200 μm。
參照圖2描述之冷噴塗製造過程200可採用如圖6-8中所顯示的各種金屬粉末類型。原料粉末之特性係訂製冷噴塗ODS鋼護套管230之所得微結構的一項因素。冷噴塗製造過程200可使用利用諸如氣體霧化製程、球磨製程、低溫碾磨製程之不同製造方法製造之各種類型之原料粉末、及經後熱處理之粉末來製造ODS鋼護套管230。粉末製造過程會影響粉末的形狀及尺寸分佈、化學組成、晶粒結構、組成均勻度、及機械性質(例如，硬度)。圖6-8中顯示取決於粉末製造途徑之原料粉末的尺寸及形態。原料粉末可基於護套管的期望效能(例如，微結構、機械性質、及輻射反應)及經濟效益來選擇。
圖9係根據本揭示之至少一態樣，使用圖10所示之冷噴塗製程600製造具有多層結構之獨立式ODS鋼護套管的方法500。亦參照圖9及10，方法500包括提供502界定中空圓柱形內部空間的圓柱形心軸基板618。將加壓氣體614引入608至流體耦接至縮擴粉末噴嘴604的加熱元件602中。選擇504冷噴塗粉末金屬612及將其裝載入加料漏斗中，以藉由粉末饋料器606注射610至粉末噴嘴604中，其在該處與經加熱的加壓氣體614混合。粉末噴嘴604發射與加壓氣體614混合之粉末金屬612的超音速流616。使圓柱形心軸基板618繞其縱軸旋轉506。接下來，將粉末噴嘴604定位於靠近圓柱形心軸基板618。在粉末噴嘴604沿圓柱形心軸基板618之長度平移的同時，將選定冷(低溫)粉末狀金屬之超音速流616施加508至圓柱形心軸基板618的外表面。第一粉末金屬層620之厚度可經由使粉末噴嘴604沿圓柱形心軸基板之長度以前後方向橫移來改變，直至達成期望厚度之第一粉末金屬層為止。在另一態樣中，層620之厚度可經由調整粉末噴嘴604的橫移速度來控制。例如，可採用較快的橫移速度來沉積較薄的層620及可採用較慢的橫移速度來沉積較厚的層620。接下來，根據方法500，確定510是否要於先前的粉末金屬層620上方施加不同的冷噴塗粉末層。如「是」，則選擇512不同的粉末金屬並將其裝載至加料漏斗中，及通過粉末饋料器606將第二粉末金屬材料注射610至粉末噴嘴604中，在此其與加壓氣體608混合，離開粉末噴嘴604，並施加508於第一粉末金屬層620上方，直至達成期望厚度的第二粉末金屬層為止。重複確定510直至將複數個「n」個不同的粉末金屬層施加508於圓柱形心軸基板618上以形成多層管結構為止。
可藉由方法500施加的冷噴塗粉末金屬層包括內襯裡層、中間層、及外層。內層可由包含釩、鉭、鎢、錸、鈮、鉻、鋯、或鉬、或其組合的耐火金屬製成，以提供於核能應用中的擴散障蔽。其他的內層材料一般具有與燃料及中間結構層的低固體溶解度。中間層可由ODS鋼製成。外層可由以下材料製成：鉻或鉻合金諸如純鉻(Cr)、鐵鉻鋁(FeCrAl、Fe20Cr5Al、或FeCrAlY)，鉬，錸，鈮，鉭，鎳，鎢，鈹或其合金包括MCrAlY合金，或FeCrSi，以向ODS鋼或其他結構層提供耐腐蝕性/抗氧化性。內層(例如，耐火材料層)之厚度係選自10 μm (~3.94 x 10-4
英吋)至200 μm (~7.87 x 10-3
英吋)之範圍。中間層(例如，護套層)之厚度係選自200 μm (~7.87 x 10-3
英吋)至1.00 mm (~3.94 x 10-2
英吋)之範圍。外層(例如，腐蝕保護層)之厚度係選自1 μm (~3.94 x 10-5
英吋)至100 μm (~3.94 x 10-3
英吋)之範圍。
一旦將期望數目的不同「n」個層沉積於圓柱形心軸基板618上，則方法沿「否」路徑行進且移除514圓柱形心軸基板618。在一態樣中，圓柱形心軸基板618係取決於心軸材料藉由化學溶解過程或低溫熱處理來移除514，以產生獨立式整體式或多層管結構。在一態樣中，圓柱形心軸基板618係由可溶解於氫氧化鈉溶液中的鋁合金材料製成。在一態樣中，圓柱形心軸基板618係由低熔點或低沸點金屬或合金製成或可溶解於溶劑中，可能的材料包括鎂、鋅、或其合金組合。
所揭示的製造技術係創新的且基本上不同於現有的製造過程。所揭示的冷噴塗製造過程600將微結構及材料最佳化及最終改良材料效能以提供優於現有製程的若干關鍵優勢。使用此新穎製程製得的管件在製造成本、效率、良率、及品質上將具高度競爭性。預期效能將甚優於市場上的當前產品。
護套材料的發展及選擇係先進反應器設計中的其中一項關鍵要素。燃料的效能高度取決於護套材料，且ODS提供當溫度及通量甚高於LWR時對於先進反應器環境為關鍵的優良機械性質及抗輻射性。
雖然文中已說明及描述某些態樣來作敘述用，但相當多樣的經計算來達成相同目的的替代及/或等效態樣或實施方案可取代所顯示及描述的態樣而不脫離本揭示之範疇。本申請案意欲涵蓋文中論述之具體例的任何改造或變化。
以下提供根據本揭示之各種態樣之方法的實例。方法的一態樣可包括下述實例中之任一者或多於一者及任何組合。
實例 1. 一種用來製造具有多層結構之獨立式護套管的方法，該方法包括：提供界定中空圓柱形內部空間之圓柱形心軸基板；選擇第一冷噴塗粉末金屬；旋轉該圓柱形心軸基板；將該第一冷噴塗粉末金屬施加至該圓柱形心軸基板之外表面以形成第一層；及移除該圓柱形心軸基板。
實例2. 如實例1之方法，其中該第一層之厚度係選自10 μm至5000 μm之範圍。
實例3. 如實例1至2中任一項之方法，其中該第一冷噴塗粉末金屬包含耐火金屬。
實例4. 如實例3之方法，其中該耐火金屬包括釩、鉭、錸、鈮、鎢、鉻、鋯、或鉬、或其組合。
實例5. 如實例1至4中任一項之方法，其中在移除該圓柱形心軸基板之前，該方法包括：選擇第二冷噴塗粉末金屬；及將該第二冷噴塗粉末金屬施加於該第一層上方。
實例6. 如實例5之方法，其中該第二層之厚度係選自200 μm至1.00 mm之範圍。
實例7. 如實例5至6中任一項之方法，其中該第二冷噴塗粉末金屬包括氧化物分散強化(ODS)鋼粉末。
實例8. 如實例7之方法，其中該ODS鋼粉末係經低溫碾磨。
實例9. 如實例5至8中任一項之方法，其中在移除該圓柱形心軸基板之前，該方法包括：選擇第三冷噴塗粉末金屬；及將該第三冷噴塗粉末金屬施加於該第二層上方。
實例10. 如實例9之方法，其中該第三層之厚度係選自1 μm至100 μm之範圍。
實例11. 如實例9至10中任一項之方法，其中該第三冷噴塗粉末金屬包括耐腐蝕性/抗氧化性材料。
實例12. 如實例11之方法，其中該耐腐蝕性/抗氧化性材料包括鉻或鉻合金。
實例13. 如實例12之方法，其中該鉻合金包括FeCrAl或Fe20Cr5Al。
實例14. 如實例11至13中任一項之方法，其中該抗氧化性材料係適於環境之類型，諸如用於鉛冷式快中子反應器之鉬、錸、鈮、鉭、FeCrAl、FeCrAlY及FeCrSi、或其合金；用於熔融鹽之鎳、鉬、或鎢、或其合金；用於核熔合應用之鈹、鎢、或其合金。
實例15. 如實例1至14中任一項之方法，其中移除該圓柱形心軸基板包括溶解該圓柱形心軸基板。
實例16. 如實例15之方法，其中該圓柱形心軸基板係由鋁合金或鎂合金製成且該圓柱形心軸基板係使用氫氧化鈉溶液自內部溶解掉。
實例17. 如實例1至16中任一項之方法，其中移除該圓柱形心軸基板包括包含熔化或沸騰以移除該圓柱形心軸基板的熱處理。
實例18. 如實例17之方法，其中該圓柱形心軸基板係由經由加熱至高於其熔點來移除的鋅合金製成。
100:方法
102:經碾磨的粉末
104:機械合金化
106:機械合金(MA)粉末管
108:熱/溫擠製
110:冷擠製
112:中間退火處理
114:護套管
200:冷噴塗製程
202:圓柱形心軸基板
204:中空圓柱形內部空間
206:粉末噴嘴
208:粉末狀內部襯裡材料之射束
210:內部襯裡層
212:粉末狀ODS鋼材料之射束
214:ODS鋼層
216:粉末狀外部塗層材料之射束
218:外部層
220:加熱
222:適當溫度
230:獨立式ODS鋼護套管
300:獨立式ODS鋼護套管
302:獨立式ODS鋼護套管
400:顯微照片圖
402:ODS鋼原料粉末
420:顯微照片圖
422:ODS鋼原料粉末
440:顯微照片圖
442:ODS鋼原料粉末
600:冷噴塗製程
602:加熱元件
604:縮擴粉末噴嘴
606:粉末饋料器
608:引入
610:注射
612:冷噴塗粉末金屬
614:加壓氣體
616:超音速流
618:圓柱形心軸基板
620:第一粉末金屬層
A:縱軸
B:箭頭
C:箭頭
t1
:內部層210之厚度
t2
:ODS鋼層214之厚度
t3
:外部層218之厚度
所述形式之新穎特徵具體闡述於隨附申請專利範圍中。然而，通過參考以下結合附圖的實施方式可最佳地瞭解關於組織和操作方法兩者的所述形式，其中：
圖1繪示製造奈米結構化ODS鋼護套管的典型製程。
圖2繪示根據本揭示之至少一態樣，用來製造具有多層結構之獨立式ODS鋼護套管的冷噴塗製程。
圖3係根據本揭示之至少一態樣，使用繪示於圖2中之冷噴塗製程製造之具有多層結構之ODS鋼護套管的截面圖。
圖4係根據本揭示之至少一態樣，使用圖2之冷噴塗製程製造之包含ODS鋼材料之獨立式ODS鋼護套管的顯微照片截面圖，該ODS鋼材料具有含鐵鉻鋁合金之保護性外塗層。
圖5係根據本揭示之至少一態樣，使用圖2之冷噴塗製程製造之包含ODS鋼材料之獨立式ODS鋼護套管的顯微照片截面圖，該ODS鋼材料具有含純鉻之保護性外塗層。
圖6係根據本揭示之至少一態樣，藉由氣體霧化製程製造之ODS鋼原料粉末之形態及尺寸的顯微照片圖。
圖7係根據本揭示之至少一態樣，藉由利用氧化物奈米粒子球磨圖6之之氣體霧化粉末製造之ODS鋼原料粉末之形態及尺寸的顯微照片圖。
圖8係根據本揭示之至少一態樣，藉由低溫碾磨圖7之經球磨氣體霧化粉末製造之ODS鋼原料粉末之形態及尺寸的顯微照片圖。
圖9係根據本揭示之至少一態樣，使用圖10所示之冷噴塗製程製造具有多層結構之獨立式ODS鋼護套管的方法。
圖10繪示根據本揭示之至少一態樣，冷噴塗製程之示意圖。
100:方法
102:經碾磨的粉末
104:機械合金化
106:機械合金(MA)粉末管
108:熱/溫擠製
110:冷擠製
112:中間退火處理
114:護套管
Claims (20)
- 一種用來製造核反應器護套管的方法，該方法包括：提供界定中空圓柱形內部空間之一圓柱形心軸基板；選擇第一冷噴塗粉末金屬；旋轉該圓柱形心軸基板；將該第一冷噴塗粉末金屬施加至該圓柱形心軸基板之外表面以形成一第一層；選擇第二冷噴塗粉末金屬；將該第二冷噴塗粉末金屬施加於該第一層上方以形成一第二層，其中該第二冷噴塗粉末金屬包括一氧化物分散強化(ODS)鋼粉末；及移除該圓柱形心軸基板。
- 如請求項1之方法，其中該第一層之厚度係選自10μm至5000μm之範圍。
- 如請求項1之方法，其中該第一冷噴塗粉末金屬包含耐火金屬。
- 如請求項3之方法，其中該耐火金屬包括釩、鉭、錸、鈮、鎢、鉻、鋯、或鉬、或其組合。
- 如請求項1之方法，其中該第二層之厚度係選自200μm至1000μm之範圍。
- 如請求項1之方法，其中該ODS鋼粉末係經低溫碾磨。
- 如請求項1之方法，其中在移除該圓柱形心軸基板之前，該方法包括：選擇第三冷噴塗粉末金屬；及 將該第三冷噴塗粉末金屬施加於該第二層上方以形成一第三層。
- 如請求項7之方法，其中該第三層之厚度係選自1μm至100μm之範圍。
- 如請求項7之方法，其中該第三冷噴塗粉末金屬包括耐腐蝕性/抗氧化性材料。
- 如請求項9之方法，其中該耐腐蝕性/抗氧化性材料包括鉻或鉻合金。
- 如請求項10之方法，其中該鉻合金包括FeCrAl或Fe20Cr5Al。
- 如請求項9之方法，其中該抗氧化性材料包含鉬、鉬合金、鉬-錸合金、鈮、鉭、FeCrAl、FeCrAlY、FeCrSi、鎳合金、鈹合金、鎢合金、或其之一組合。
- 如請求項1之方法，其中移除該圓柱形心軸基板包括溶解該圓柱形心軸基板。
- 如請求項13之方法，其中該圓柱形心軸基板係由鋁合金或鎂合金製成且該圓柱形心軸基板係使用氫氧化鈉溶液自內部溶解掉。
- 如請求項1之方法，其中移除該圓柱形心軸基板包括包含熔化或沸騰以移除該圓柱形心軸基板的熱處理。
- 如請求項15之方法，其中該圓柱形心軸基板係由經由加熱至高於其熔點來移除的鋅合金製成。
- 如請求項1之方法，其進一步包含在移除該圓柱形心軸基板後將核燃料顆粒置於該核反應器護套管內部。
- 如請求項1之方法，其中該圓柱形心軸基板包含一長 度，且其中施加該第一冷噴塗粉末金屬包含沿該圓柱形心軸基板之該長度施加該第一冷噴塗粉末金屬以形成具選自2.5m至5m範圍之一長度之該核反應器護套管。
- 如請求項7之方法，其中該第一層包含釩或釩合金，其中該第二層包含ODS鋼，且其中第三層包含鉻或鉻合金。
- 如請求項19之方法，其中該ODS鋼包含氧化釔。
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