623 / 2021-06-20 16:13:06

锆管表面Cr/Cr2N多层涂层的高温抗氧化性能研究

摘 要:核电站在发生冷却剂损失事故(LOCA)时，温度会超过1000℃，Zr合金会与水发生剧烈反应并释放大量爆炸性氢气。在应用并推进核能发展的过程中，保证核电站周边公众环境不受核辐射的伤害一直是核能发展的首要原则。为了提高燃料包壳Zr基合金的抗氧化性，提出了事故容错燃料(（Accident tolerant cladding， ATF）的概念，短期有效的方法是沉积耐高温涂层。在众多包壳涂层候选材料中，Cr基涂层具有高的硬度、优异的抗氧化、耐腐蚀性能。因此本研究采用磁控溅射技术在Zr-4管上制备了Cr₂N涂层和Cr/Cr₂N多层涂层。通过氧化增重、XRD、FIB-SEM等表征手段研究了涂层在700℃-900℃不同温度下的抗氧化性能。结果表明：（1）随着温度的升高，Cr₂N涂层和Cr/Cr₂N多层涂层的氧化增重比率均不断增加，且同一温度下Cr/Cr₂N多层涂层的氧化增重比率更低。（2）经过800℃高温氧化后，在Cr₂N涂层内部出现裂纹并扩展到基体，而Cr/Cr₂N多层涂层致密性良好。（3）采用Cr/Cr₂N多层涂层设计可以提高材料的抗氧化性能，这是由于多层结构抑制了裂纹的扩展，有效地阻止了氧离子的扩散。

关键词: 锆管；Cr/Cr₂N多层涂层；高温氧化行为；锆管；事故容错