【摘 要】
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在世界能源结构中,核能的地位日益上升。核能的经济性与安全性一直是核能研发的重要课题。燃料包壳是核能安全的第一道屏障,锆合金因其高温氧化性能好、耐辐照等诸多优点被用作核电反应堆燃料包壳材料,也是目前最成熟的包壳材料。2011年日本福岛核事故后,美国提出耐事故燃料（ATF）以进一步提高锆合金包壳管的耐高温水蒸汽氧化性能。在现有锆合金包壳管表面制备完整、致密且结合良好的防护性涂层可有效降低其高温蒸汽氧化
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在世界能源结构中,核能的地位日益上升。核能的经济性与安全性一直是核能研发的重要课题。燃料包壳是核能安全的第一道屏障,锆合金因其高温氧化性能好、耐辐照等诸多优点被用作核电反应堆燃料包壳材料,也是目前最成熟的包壳材料。2011年日本福岛核事故后,美国提出耐事故燃料（ATF）以进一步提高锆合金包壳管的耐高温水蒸汽氧化性能。在现有锆合金包壳管表面制备完整、致密且结合良好的防护性涂层可有效降低其高温蒸汽氧化速率。目前,国内还没有成熟的包壳管表面涂层制备技术。本文研究了锆合金表面磁控溅射法制备Cr和CrAl膜层的制备工艺对涂层微观结构的影响及涂层的高温蒸汽氧化性能,并探索了锆合金包壳管表面Cr涂层的制备工艺。预热温度≥400℃时,Cr和CrAl膜层厚度均匀、组织致密且与基体结合良好;24.2at.%Al元素的加入,膜层晶粒明显粗化,热膨胀系数增高导致CrAl膜易开裂。溅射功率增加,Cr膜层变得平整、致密;CrAl膜层表面的裂纹减少。Cr和CrAl膜均为层岛结合方式生长,在沉积早期以层状形式生长,在膜达到一定厚度后以岛状生长为主。1200℃/1h水蒸汽氧化后,锆基体表面氧化膜厚约100 μm,Cr膜层表面生成厚约4 μm的致密Cr2O3层;CrAl膜层表面的Cr2O3和Al2O3复合氧化层厚约0.8μm,Al元素发生明显的表面和界面偏聚,导致膜层内部形成大量尺寸为数百纳米的新相。Cr和CrAl膜层均表现出良好的耐高温氧化性能。制备Cr和CrAl膜层的最优工艺参数为衬底预热温度450℃、溅射电流0.5A。采用环形靶磁控溅射系统在锆合金包壳管表面制备Cr膜层,分析了膜层与基体的结合强度及360℃/30d时效处理后膜层界面结构稳定性。结果表明:附加-100V偏压使Cr膜层更加致密;加偏压和溅射功率提高均使得膜层与基体的结合力提高,膜层晶粒尺寸增大且晶粒取向多样化。经360℃时效处理30天后Cr膜致密度提升,Cr膜层与锆合金基体界面无明显变化,Cr膜层在服役温度下比较稳定。
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