一種鋯合金表面原位垂直生長(zhǎng)石墨烯防腐層的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及鋯合金表面防腐層的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著能源危機(jī)的日益加劇，核能作為清潔高效的能源受到廣泛的關(guān)注，全世界約16%的電能來(lái)自于核能。其中輕水反應(yīng)堆的發(fā)電量占全世界核電的87%、世界總發(fā)電量的14%。而鋯合金以其熱中子吸收截面小，在350°C下具有優(yōu)良的機(jī)械性能且成本相對(duì)較低等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于水反應(yīng)堆燃料包殼和其他堆內(nèi)結(jié)構(gòu)件中。近年來(lái)，隨著核電的迅速發(fā)展以及人類(lèi)對(duì)反應(yīng)堆安全性和經(jīng)濟(jì)性要求的提高，進(jìn)一步改善鋯合金在反應(yīng)堆高燃耗下的性能，延長(zhǎng)其工作壽命成了一個(gè)重要的課題。鋯合金包殼在服役時(shí)長(zhǎng)時(shí)間與冷卻劑水接觸，此外在實(shí)際應(yīng)用中一般在冷卻劑中加入反應(yīng)毒性物質(zhì)B，一般以H3BO3B式加入，但加入后冷卻劑呈酸性，為了調(diào)節(jié)冷卻劑的PH值，還會(huì)加入L1H等使冷卻劑偏堿性，偏堿性的冷卻劑會(huì)加速鋯合金腐蝕，所以鋯合金包殼工作壽命的延長(zhǎng)很大程度上取決于耐腐蝕性能的改善，為了提高鋯合金的耐腐蝕性能，除了設(shè)計(jì)新的鋯合金材料外，表面處理技術(shù)就成為了重要的工藝手段，這些技術(shù)包括高壓釜預(yù)膜、激光表面合金化、表面激光處理、離子注入、離子輻照和陽(yáng)極氧化技術(shù)等，主要是通過(guò)表面改性的途徑提高鋯合金的耐腐蝕性能和抗磨損能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明要解決現(xiàn)有鋯合金包殼耐水側(cè)腐蝕性能差，燃料包殼的使用壽命短的問(wèn)題，而提供一種鋯合金表面原位垂直生長(zhǎng)石墨烯防腐層的制備方法。
[0004]—種鋯合金表面原位垂直生長(zhǎng)石墨烯防腐層的制備方法，具體是按照以下步驟進(jìn)行的:
[0005]—、將鋯合金置于等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積真空裝置中，抽真空至壓強(qiáng)為5Pa，通入氬氣和氫氣，調(diào)節(jié)氬氣的氣體流量為20sccm，調(diào)節(jié)氫氣的氣體流量為20sccm，調(diào)節(jié)抽真空速度將等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積真空裝置中壓強(qiáng)控制為lOOPa，然后在壓強(qiáng)為10Pa的條件下，將溫度升溫至為300°C?1000°C，升溫后，打開(kāi)射頻電源，調(diào)節(jié)射頻功率為150W，在射頻功率為150W、壓強(qiáng)為10Pa和溫度為300°C?1000°C的條件下進(jìn)行表面處理，表面處理時(shí)間為30min ；
[0006]二、表面處理后，關(guān)閉射頻電源，通入甲烷氣體，調(diào)節(jié)甲烷氣體的氣體流量為5sccm?50sccm，調(diào)節(jié)氬氣的氣體流量為50sccm?200sccm，保持氫氣的氣體流量為20sCCm，調(diào)節(jié)抽真空速度將等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積真空裝置中壓強(qiáng)控制為50Pa?500Pa，打開(kāi)射頻電源，然后在射頻功率為200W、壓強(qiáng)為50Pa?500Pa和溫度為300 °C?1000°C的條件下進(jìn)行沉積，沉積時(shí)間為1min?60min ;
[0007]三、沉積結(jié)束后，關(guān)閉加熱電源和射頻電源，停止通入甲烷氣體，以氬氣和氫氣為保護(hù)氣體，從溫度為300°C?1000°C冷卻到室溫，得到石墨烯防腐層厚度為50nm?500nm的表面原位垂直生長(zhǎng)石墨烯防腐層的鋯合金，即完成一種鋯合金表面原位垂直生長(zhǎng)石墨烯防腐層的制備方法。
[0008]本發(fā)明提高耐腐蝕性能的原理為:利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法，無(wú)需催化劑輔助下原位在鋯合金表面直接生長(zhǎng)石墨烯薄膜，改善了鋯合金表面狀態(tài)，石墨烯與鋯合金結(jié)合良好，垂直生長(zhǎng)的石墨烯與水的潤(rùn)濕角提高到130°，與水不潤(rùn)濕，可提高鋯合金的水側(cè)耐腐蝕性能，同時(shí)石墨烯具有良好的導(dǎo)熱性能，有利于燃料包殼的熱量向冷卻劑轉(zhuǎn)移。此外，碳的熱中子吸收截面小，不會(huì)影響鋯合金包殼的輻照性能。
[0009]本發(fā)明的有益效果是:1.解決了現(xiàn)有鋯合金包殼抗水側(cè)偏堿性的冷卻劑腐蝕的問(wèn)題，有助于提高鋯合金包殼的壽命。鋯合金包殼會(huì)與偏堿性的300°C左右的水冷卻劑長(zhǎng)期接觸，為提高其水側(cè)耐腐蝕性能，在鋯合金表面原位生長(zhǎng)垂直石墨烯，由于石墨烯與水不潤(rùn)濕，導(dǎo)熱性良好，且具有良好的力學(xué)性能、延展性，低熱中子吸收截面，因而可提高鋯合金的耐腐蝕性能，延長(zhǎng)包殼的使用壽命，滿(mǎn)足工程使用要求。
[0010]2.本發(fā)明可在低溫環(huán)境下無(wú)需催化劑輔助，直接原位在鋯合金表面垂直生長(zhǎng)石墨烯薄膜，避免了一些雜質(zhì)、特別是熱中子吸收截面大的元素引入。
[0011]3.本發(fā)明所使用的等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法簡(jiǎn)單、高效、低成本、便于工業(yè)化生產(chǎn)。
[0012]本發(fā)明用于一種鋯合金表面原位垂直生長(zhǎng)石墨烯防腐層的制備方法。
【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1為實(shí)施例一制備的表面原位垂直生長(zhǎng)石墨烯防腐層的鋯合金掃描電鏡照片。
【具體實(shí)施方式】
[0014]本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉的【具體實(shí)施方式】，還包括各【具體實(shí)施方式】之間的任意組合。
[0015]【具體實(shí)施方式】一:本實(shí)施方式所述的一種鋯合金表面原位垂直生長(zhǎng)石墨烯防腐層的制備方法，具體是按照以下步驟進(jìn)行的:
[0016]—、將鋯合金置于等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積真空裝置中，抽真空至壓強(qiáng)為5Pa，通入氬氣和氫氣，調(diào)節(jié)氬氣的氣體流量為20sccm，調(diào)節(jié)氫氣的氣體流量為20sccm，調(diào)節(jié)抽真空速度將等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積真空裝置中壓強(qiáng)控制為lOOPa，然后在壓強(qiáng)為10Pa的條件下，將溫度升溫至為300°C?1000°C，升溫后，打開(kāi)射頻電源，調(diào)節(jié)射頻功率為150W，在射頻功率為150W、壓強(qiáng)為10Pa和溫度為300°C?1000°C的條件下進(jìn)行表面處理，表面處理時(shí)間為30min ；
[0017]二、表面處理后，關(guān)閉射頻電源，通入甲烷氣體，調(diào)節(jié)甲烷氣體的氣體流量為5sccm?50sccm，調(diào)節(jié)氬氣的氣體流量為50sccm?200sccm，保持氫氣的氣體流量為20sCCm，調(diào)節(jié)抽真空速度將等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積真空裝置中壓強(qiáng)控制為50Pa?500Pa，打開(kāi)射頻電源，然后在射頻功率為200W、壓強(qiáng)為50Pa?500Pa和溫度為300 °C?1000°C的條件下進(jìn)行沉積，沉積時(shí)間為1min?60min ;
[0018]三、沉積結(jié)束后，關(guān)閉加熱電源和射頻電源，停止通入甲烷氣體，以氬氣和氫氣為保護(hù)氣體，從溫度為300°C?1000°C冷卻到室溫，得到石墨烯防腐層厚度為50nm?500nm的表面原位垂直生長(zhǎng)石墨烯防腐層的鋯合金，即完成一種鋯合金表面原位垂直生長(zhǎng)石墨烯防腐層的制備方法。
[0019]本實(shí)施方式的有益效果是:1.解決了現(xiàn)有鋯合金包殼抗水側(cè)偏堿性的冷卻劑腐蝕的問(wèn)題，有助于提高鋯合金包殼的壽命。鋯合金包殼會(huì)與偏堿性的300 °C左右的水冷卻劑長(zhǎng)期接觸，為提高其水側(cè)耐腐蝕性能，在鋯合金表面原位生長(zhǎng)垂直石墨烯，由于石墨烯與水不潤(rùn)濕，導(dǎo)熱性良好，且具有良好的力學(xué)性能、延展性，低熱中子吸收截面，因而可提高鋯合金的耐腐蝕性能，延長(zhǎng)包殼的使用壽命，滿(mǎn)足工程使用要求。
[0020]2.本實(shí)施方式可在低溫環(huán)境下無(wú)需催化劑輔助，直接原位在鋯合金表面垂直生長(zhǎng)石墨烯薄膜，避免了一些雜質(zhì)、特別是熱中子吸收截面大的元素引入。
[0021]3.本實(shí)施方式所使用的等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法簡(jiǎn)單、高效、低成本、便于工業(yè)化生產(chǎn)。
[0022]【具體實(shí)施方式】二:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一不同的是:步驟一中所述的鋯合金為核工業(yè)級(jí)M5、Zr-2或Zr-4核燃料包殼用鋯合金。其它與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0023]【具體實(shí)施方式】三:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一或二之一不同的是:步驟一中然后在壓強(qiáng)為10Pa的條件下，將溫度升溫至為500°C。其它與【具體實(shí)施方式】一或二相