一种事故容错核燃料包壳TiCrNiAlSi/ZrC涂层及制备方法
【专利摘要】本发明公开一种事故容错核燃料包壳TiCrNiAlSi/ZrC涂层及制备方法，利用激光微熔覆技术，在核燃料包壳锆合金管上制备一层TiCrNiAlSi/ZrC涂层，从而达到提高其抗氧化性能的目的。涂层成分的质量百分比为：11～16％Ti，20～27％Cr，5～8％Al，3～6％Si，1～3％Ni，40～60％ZrC。激光器功率为60～150W，光斑直径为60?150μm，激光扫描速度为400～700mm/min，搭接率为15％～30％，送粉器送粉速率为1.5～3.5g/min，保护气氩气流量为3～6L/min，粉末束流与激光束夹角为50°～75°。得到与基体冶金结合良好、无气孔、裂纹等缺陷的熔覆层。该方法具有光束质量集中，光斑尺寸小，形成的熔池细小，对基体的热影响小，基体变形小等优势。
【专利说明】
一种事故容错核燃料包壳T i CrN i AIS i /ZrC涂层及制备方法
技术领域
[0001] 本发明属于激光熔覆技术领域，具体为涉及一种事故容错核燃料包壳的复合涂层 及制备方法。利用激光微熔覆技术在核燃料包壳表面制备一层TiCrNiAlSi/ZrC涂层，从而 达到提高事故容错核燃料包壳的抗氧化能力的目的。
【背景技术】
[0002] 锆合金由于具有优异的核性能（热中子吸收截面只有1.85 Xl(T29m2)和耐腐蚀性 能(在300~400°C高温高压水蒸汽中耐腐蚀）以及适中的力学性能、良好的加工性能、与铀 燃料良好的相容性，被广泛应用于核动力水冷堆的燃料包壳管和结构材料，也被称为"原子 时代的第一号金属"。但是2011年福岛核事故的发生，表明现有的核燃料包壳在突发事故时 已不能满足安全性能要求，所以开发一种新型的抗高温氧化核燃料包壳材料刻不容缓。
[0003] 激光熔覆作为一种先进的表面改进技术，可以显著改善材料的耐磨、耐腐蚀、抗氧 化等性能。与传统表面处理技术相比，它具有很多优点。因此，可以利用激光微熔覆方法在 锆合金管上熔覆一层复合材料，从而提高其抗氧化能力。
【发明内容】
[0004] 为了提高核燃料包壳的抗氧化性能，本发明提供了一种用于提高核燃料包壳抗高 温氧化性能的复合涂层材料及激光微熔覆制备方法，该方法可以制备厚度为20~Ι?ομπι的 熔覆层，熔覆层与基体达到良好的冶金结合，并且没有裂纹、气孔等缺陷，对基体的热影响 小，处理后其抗氧化性能得到提高。本发明中的用于提高核燃料包壳抗氧化性能的涂层材 料，其特征在于各组分的质量百分比如下：11~16 % Ti，20~27 % Cr，5~8 % Α1，3~6 % Si，1 ~3%Ni，40~60%ZrC。利用同步送粉激光微熔覆技术在锆合金管表面上制备厚度为20~ ΙΙΟμπι厚的熔覆层。其中激光微熔覆制备过程所用的工艺参数为:激光器功率为60~150W， 光斑直径为60-150μπι，激光扫描速度为400~700mm/min，搭接率为15%~30%，送粉器送粉 速率为1.5~3.5g/min，保护气氩气流量为3~6L/min，所输入的粉末束流与激光束夹角为 50°~75°。
[0005] 本发明主要是利用激光微熔覆技术在核燃料包壳上制备一层TiCrNiAlSi/ZrC涂 层，从而达到提高其抗氧化性能目的。
【附图说明】
[0006] 图1激光微熔覆处理后的合金管形貌。
[0007] 图2是扫描电镜下激光微熔覆处理后的合金管截面形貌。
[0008] 图3是扫描电镜下熔覆层金相组织形貌。
[0009] 图4是高温水蒸气氧化实验结果。
【具体实施方式】
[0010] 实施例一：
[0011] 包括以下步骤：
[0012] 先对锆合金管表面进行喷砂处理，提高对光的吸收。
[0013] 根据实验需求，对机械手和变位机进行编程。
[0014] 涂层材料各组分按质量百分比设计如下：11 %Ti，20 %Cr，5 %A1，3 % Si，1 %Ni， 60 %ZrC。按上述组分的质量百分比称量该配比的单元素粉末，在球磨机中进行粉末混合2 小时，混合后得到均匀粉末。
[0015] 将粉末在干燥箱内烘干2小时，烘干温度为100摄氏度。
[0016]采用IPG 500W光纤激光器在锆合金管表面制备合金熔覆层，激光微熔覆工艺参数 为:激光器功率为150W，光斑直径为150μπι，扫描速度为400mm/min，所输送的粉末束流与激 光束呈50°，送粉速度为3.5g/min，保护氩气流量为6L/min，搭接率为30 %，熔覆长度为 30mm。为避免管内壁因受热发生氧化、氮化等，在管内壁通入氩气进行保护与冷却，保护气 氩气流量为20L/min。
[0017] 经过熔覆后对合金管进行切割处理，切成长度为10mm，然后在扫描电镜显微镜下 观察组织，并测量熔覆层厚度。
[0018] 对本案例进行高温水蒸气氧化实验测试，实验条件为1200度高温水蒸汽氧化实 验，实验时间3600秒，实验结果见图4。
[0019] 实验结果表明：激光微熔覆方法制备得到的TiCrNiAlSi/ZrC涂层具有比原始锆合 金管更好的抗高温氧化性能。其抗高温氧化性能不及案例二、案例三高。本发明提高了事故 容错核燃料包壳的抗高温氧化性能。
[0020] 实施例二：
[0021] 与实施例一相同部分不在叙述，不同之处是:涂层材料的各组分按质量百分比设 计如下：13 %Ti，24 % Cr，6 % A1，5 % Si，2 %Ni，50 % ZrC。按上述组分的质量百分比称量该配 比的单元素粉末，在球磨机中进行粉末混合2小时，混合后得到均匀粉末。
[0022]采用IPG500W光纤激光器在锆合金管表面制备合金熔覆层，激光微熔覆工艺参数 为:激光器功率为100W，光斑直径为ΙΙΟμL?，扫描速度为500mm/min，所输送的粉末束流与激 光束呈60°，送粉速度为3g/min，保护气氩气流量为4.5L/min，搭接率为20%，熔覆长度为 30mm。为避免管内壁因受热发生氧化、氮化等，在管内壁通入氩气进行保护与冷却，保护气 氩气流量为20L/min。
[0023]对本案例进行高温水蒸气氧化实验测试，实验条件为1200度高温水蒸汽氧化实 验，实验时间3600秒，实验结果见图4。
[0024]实验结果表明：激光微熔覆方法制备得到的TiCrNiAlSi/ZrC涂层具有比原始锆合 金管更好的抗高温氧化性能。本案例抗高温氧化性能高于案例一，但不及案例三。
[0025] 实施例三：
[0026]与实施例一相同部分不在叙述，不同之处是:涂层材料的各组分按质量百分比设 计如下：16 %Ti，27 % Cr，8 % A1，6 % Si，3 %Ni，40 % ZrC。按上述组分的质量百分比称量该配 比的单元素粉末，在球磨机中进行粉末混合2小时，混合后得到均匀粉末。激光功率为60W。 [0027]采用IPG500W光纤激光器在锆合金管表面制备合金熔覆层，激光微熔覆工艺参数 为:激光器功率为60W，光斑直径为60μπι，扫描速度为700mm/min，所输送的粉末束流与激光 束呈75°，送粉速度为1.5g/min，保护气氩气为3L/min，搭接率为15 %，熔覆长度为30mm。为 避免管内壁因受热发生氧化、氮化等，在管内壁通入氩气进行保护与冷却，保护气氩气流量 为20L/min。
[0028]对本案例进行高温水蒸气氧化实验测试，实验条件为1200度高温水蒸汽氧化实 验，实验时间3600秒，实验结果见图4。
[0029]实验结果表明：激光微熔覆方法制备得到的TiCrNiAlSi/ZrC涂层具有比原始锆合 金管更好的抗高温氧化性能。与案例一和案例二相比，案例三的抗高温氧化性能最佳。
[0030] 在扫描电镜显微镜下观察熔覆层组织状态，并测量熔覆层厚度。多次测量求平均 值，比较例一、例二、例三熔覆层的厚度如表一：
[0031] 表一
[0032]
【主权项】
1. 一种事故容错核燃料包壳TiCrNiAlSi/ZrC涂层，其特征在于，采用激光微熔覆技术 在核燃料包壳锆合金管表面制备厚度为20~I IOwii厚的TiCrNiAlSi/ZrC复合涂层，涂层成 分的质量百分比为：11~16%Ti，20~27%Cr，5~8%A1，3~6%Si，l~3%Ni和40~60% ZrC02. 制备如权利要求1所述涂层的方法，其特征在于:其中激光微熔覆制备过程所用的工 艺参数为：激光器功率为60~150W，光斑直径为60-150μπι，激光扫描速度为400~700mm/ min，搭接率为15 %~30 %，送粉器送粉速率为1.5~3.5g/min，保护气氩气流量为3~6L/ min，所输入的粉末束流与激光束夹角为50°~75°。
【文档编号】G21C3/07GK105887080SQ201610285748
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年5月2日
【发明人】杨胶溪, 靳延鹏, 贾无名, 陈虹, 王喜兵
【申请人】北京工业大学