世界各国广泛应用核能发电,因为其能为经济发展提供可靠的电力而碳排放量低、需处理的废物量少
但是,2011年日本福岛核事故迫使人们重新审查核电的安全性
在失水(LOCA)条件下,锆合金包壳与水蒸汽发生剧烈的氧化反应生成大量的氢气和热量,引发氢爆而使核燃料泄露[1]
此事故发生后提出了事故耐受燃料(Accident tolerant fuel,ATF)的概念[2, 3],其基本目标是降低锆合金包壳在失水(LOCA)条件下的高温蒸汽氧化速率和减少产氢和产热量,从而争取足够的时间以降低或避免氢爆的风险
事故耐受燃料的主要方案之一,是在锆合金包壳管表面制备涂层以降低锆合金包壳的高温蒸汽氧化速率和提高燃料组件的事故耐受能力[4, 5]
涂层技术广泛应用于工业材料中,主要用来提高材料的耐蚀性和耐磨性
Zr合金包壳具有高熔点、耐辐照、与燃料兼容性好且中子吸收截面低等优点,在其表面制备涂层既不改变原有核燃料体系又能提高其耐高温氧化性能
主要的Zr合金表面涂层有：Cr[4~11]、CrAl[10, 12~14]和FeCrAl[13, 15, 16]等金属涂层、MAX 相[17~19]、TiAlN[20~23]、SiC[24~28]等陶瓷涂层和Al2O3/ZrO2 [29]、ZrO2/FeCrAl[30]等多层复合涂层
其中的Cr 涂层,具有耐电站水腐蚀、高温抗氧化性、耐磨且热膨胀系数与锆合金相当等优点[31]
相关研究[1,5,32]表明：在正常工况360℃/18.9 MPa动态水腐蚀60 d或在事故条件下(1200℃)在水蒸汽中暴露2000 s,锆合金表面的Cr涂层都起高温氧化腐蚀防护层的作用并能提高基体的抗膨胀和抗断裂性能
因此,Cr涂层是有望实现商业应用的ATF包壳方案
也有一些研究在Cr涂层中加入Al元素,以期通过调整高温氧化后氧化膜的成分和组织使其耐高温氧化性能提高[12, 13]
在Zr合金包壳管表面制备Cr涂层的主要方法,有喷涂法(包括冷喷涂 [33,34]和韩国的3D激光涂覆[1]等)、电弧离子镀[5]和磁控溅射[35]等物理气相沉积法
磁控溅射法的工艺重复性好,制备的膜层表面光滑、致密、机械性能良好,且溅射能量低、工件变形小、沉积速率可控
目前,在锆合金表面制备Cr涂层及其高温氧化性能表征的工作较多
Wang等[36]采用大气等离子喷涂法在Zr-4表面制备厚度
声明：
“锆合金表面Cr基涂层的耐高温氧化性能” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色网
来源：单位摇,王永利,李静,熊良银,杜晓明,刘实
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2025年06月13日 ~ 15日 
