锆合金包壳表面金属Cr涂层的研究进展

锆合金由于自身良好的力学性能、耐腐蚀性能和中子经济性,被广泛应用于水冷反应堆核燃料包壳材料,然而在失水事故工况下锆合金会与高温水蒸气剧烈反应生成大量氢气,进而引发核事故。目前,提高锆合金包壳服役性能的最有效途径是在其表面制备一层防护涂层,其中,金属Cr涂层具有优异的抗高温氧化、耐腐蚀性能以及良好的力学强度和衬底附着力,是一种最具发展潜力的锆合金包壳涂层材料。主要从制备工艺、微观组织和服役性能3个方面,对锆合金包壳表面金属Cr涂层的研究现状进行了综述。首先介绍了锆合金包壳金属Cr涂层的主要制备工艺技术,重点阐述了各制备工艺的特点及不足;其次总结了金属Cr涂层的柱状晶、等轴晶和无序非晶结构,分析了3种微观组织的结构特征和生长机制,以及制备工艺参数对组织形成的影响作用;然后阐述了锆合金包壳金属Cr涂层的力学性能、抗高温氧化性能、耐腐蚀性能和抗辐照性能,并对其塑性变形机制、腐蚀氧化机理和辐照损伤机制进行了深入剖析;最后对当前研究中存在的问题以及未来的发展方向进行了分析和展望。

金属Cr涂层对锆合金热膨胀性能的影响

涂层锆合金是事故容错燃料包壳候选材料之一。本文通过采用磁控溅射工艺制备出不同金属Cr涂层厚度的涂层锆合金包壳,研究了涂层厚度对锆合金管材热物理性能的影响,包括周向和轴向热膨胀性能。研究结果表明,金属Cr涂层均匀致密,且涂层厚度对包壳轴向热膨胀性能影响较小,但是,不同厚度金属Cr涂层对周向热膨胀性能的影响要大于对轴向热膨胀性能的影响。此外,当涂层厚度为18μm左右时,金属Cr涂层锆合金包壳和锆合金包壳周向热膨胀系数基本一致。

等离子喷涂Cr3C2/NiCr金属陶瓷基高温润滑涂层的摩擦学行为研究

目的探讨和研究Cr3C2/NiCr-Ag-MoO3-CaF2和Cr3C2/NiCr-CaF2金属陶瓷涂层与ZrO2配副在宽温域(室温~800℃)内的摩擦磨损行为和磨损机理。方法以Cr3C2/NiCr作为基底材料,CaF2、Ag、MoO3作为固体润滑剂,采用大气等离子喷涂技术在718高温合金钢基体表面,制备Cr3C2/NiCr-Ag-MoO3-CaF2和Cr3C2/NiCr-CaF2金属陶瓷涂层。采用UMT-3高温摩擦磨损实验机评价涂层从室温~800℃的摩擦磨损性能,采用显微硬度计和万能材料实验机测试涂层的显微硬度和粘结强度,采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和拉曼光谱仪分析涂层的显微结构、物相组成和磨痕的微观形貌。结果Cr3C2/NiCr-CaF2和Cr3C2/NiCr-Ag-MoO3-CaF2金属陶瓷涂层结构致密,显微硬度和结合强度均随着固体润滑剂含量的增加而有所下降,结合强度分别为46.45、36.65MPa,显微硬度分别为524.61HV0.3、478.29HV0.3。涂层的摩擦系数和磨损率均随着温度的升高而降低,800℃时Cr3C2/NiCr-CaF2和Cr3C2/NiCr-Ag-MoO3-CaF2涂层的摩擦系数和磨损率最低,最低摩擦系数分别为0.30和0.19,最低磨损率分别为3.84×10^-5、2.89×10^-5mm^3/(N·m)。结论CaF2可以改善600℃以上的摩擦学性能,Ag、CaF2、MoO3在涂层磨损表面发生摩擦化学反应生成的钼酸银和钼酸钙,可以有效地改善Cr3C2/NiCr涂层在600℃以上的摩擦学性能。

添加BaF_2/CaF_2对爆炸喷涂Cr_3C_2基金属陶瓷涂层性能的影响

采用爆炸喷涂制备添加BaF2/CaF2共晶的Cr3C2基金属陶瓷涂层,通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)及显微硬度仪等检测方法观测了喷涂粉形貌、相组成及涂层微观组织、硬度等性能,探讨了BaF2/CaF2共晶的加入方式及其含量对爆炸喷涂Cr3C2基金属陶瓷涂层性能的影响,结果显示:10%的BaF2/CaF2共晶与Cr3C2-25%NiCr粉体经高能球磨1h,粉体粒度最小,尺寸均匀性最高。爆炸喷涂后涂层组织致密,孔隙率小于0.8%;共晶的加入,降低了涂层的显微硬度(Hv),且随加入量的增加,涂层硬度及孔隙率逐步降低;共晶与NiCr合金的预先球磨,有助于提高涂层均匀致密性和硬度,孔隙率为0.2%,显微硬度(Hv)为665.6。