【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及核反应堆材料表面涂层，具体的说是一种核反应堆用锆合金件表面防护涂层。
技术介绍
1、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。
2、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。
3、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
4、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。
技术实现思路
1、为了解决现有技术中的不足，本专利技术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。
2、为了实现上述目的，本专利技术采用的具体方案为：
3、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；
4、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。
5、进一步地，铌基熔覆粉末的平均粒径为45~110μm。
6、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%。
7、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；
8、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。
9、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。
10、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；
11、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%。
12、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%。
13、进一步地，铬基熔覆粉末的平均粒径为45~110μm。
14、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。
15、下面对各个元素的作用进行阐述。
16、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。
17、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。
18、ni元素能够提高合金材料的韧性、降低涂层的脆性。
19、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。
20、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。
21、有益效果：
22、1）、本专利技术通过合理调控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。
23、2）、本专利技术在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。
24、3）、本专利技术在制备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。
25、4）、本专利技术在制备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。
本文档来自技高网...【技术保护点】
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；
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，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%。
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，在进行超高速激光熔覆前，先对锆合金件进行预处理；
5.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0.2~3.6
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，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；
7.根据权利要求6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%。
8.根据权利要求6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。
9.根据权利要求6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。
...【技术特征摘要】
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；
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，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%。
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，在进行超高速激光熔覆前，先对锆合金件进行预处理；
5.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10~1...
【专利技术属性】
技术研发人员：靳东亮，赵晓峰，狄正贤，魏世忠，马喜强，潘昆明，徐流杰，于华，
申请(专利权)人：龙门实验室，
类型：发明
国别省市：
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