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CN111139422A - 一种用于核废料容器辐射防护的非晶合金涂层制备方法 - Google Patents

一种用于核废料容器辐射防护的非晶合金涂层制备方法 Download PDF

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CN111139422A
CN111139422A CN202010142132.3A CN202010142132A CN111139422A CN 111139422 A CN111139422 A CN 111139422A CN 202010142132 A CN202010142132 A CN 202010142132A CN 111139422 A CN111139422 A CN 111139422A
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amorphous alloy
coating
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iron
based amorphous
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李朝明
潘文高
李运红
禹兴利
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Shanghai Liyuan Environmental Technology Co ltd
Original Assignee
Shanghai Liyuan Environmental Technology Co ltd
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Abstract

本发明公开了用于核废料容器辐射防护的非晶合金涂层制备方法包括以下步骤:将Al2O3粉末和Fe‑Cr‑C‑Si‑Gd‑B铁基非晶合金粉末采用高速混合机进行混合;使用大功率超声波对混合粉末进行超声波筛分;将Al2O3粉末和铁基非晶合金复合粉末烘干;以及采用超音速火焰喷涂法将复合粉末直接喷涂到核废料容器表面。本发明用于核废料容器辐射防护的非晶合金涂层制备方法提高Fe‑Cr‑C‑Si‑Gd‑B铁基非晶合金复合涂层与核反应堆废料容器的结合力、致密度、非晶含量和耐磨性能,降低了非晶合金复合涂层的孔隙率,同时涂层具有优异的中子吸收能力。

Description

一种用于核废料容器辐射防护的非晶合金涂层制备方法
技术领域
本发明具体涉及一种用于核废料容器辐射防护的非晶合金涂层制备方法。
背景技术
一般每台百万千瓦级核电机组每年可卸出25t乏燃料,目前我国积累的乏燃料已达到1000t以上。目前国内外大部分乏燃料的贮存方式采用“湿式”贮存(即将乏燃料存放于水池的格架上)和“干式”贮存,干式贮存容器兼有贮存和运输乏燃料的功能。核反应堆卸出的乏燃料具有极强的放射性,伴有一定的中子发射率,需在乏燃料水池中贮存一段时间,以使短半衰期的放射性核素绝大部分衰变掉,并带走其衰变热。处理乏燃料用的材料不仅要求具有高热中子吸收能力,还需要高强度、耐高温腐蚀、耐辐照、热膨胀系数低等特点。目前国外使用的乏燃料贮运设备和格架材料主要为含硼钢、硼铝合金、B4C/Al复合材料、含镉~钆中子吸收材料、有机聚合物等。
有机聚合物如含硼聚乙烯属于非金属基中子吸收材料,其基体是非金属,所以不具备良好的机械结构性能,因此只能作为单一的功能材料使用,且此类材料的抗辐照、抗腐蚀性能都不是很好,在强剂量的辐照场下,聚乙烯易老化变脆限制材料的使用。
现在常用的核废料贮存和运输容器主要由含硼钢构成,但含硼钢中的硼含量低,对热中子和超热中子的吸收能力低,中子吸收能力差,难以满足核废料的贮运,且含硼钢和硼铝合金硼含量低且随着含量增高而强度下降;另外,镉~钆材料易产生中子毒物。
B4C/Al复合材料把铝金属的韧性、延展性、可成型性等优点与碳化硼陶瓷的硬度、耐烧蚀性以及低密度等优势结合在一起,B4C/Al复合材料具有低密度、高热导率、良好的力学性能以及高的中子吸收能力,已经在国外得到应用,但该材料价格较高,无法大规模推广应用。而B4C/Al复合材料涂层+不锈钢基体的组合为乏燃料处理提供了更为经济的解决方案,然而要在满足容器的结构强度要求的同时达到放射性屏蔽的目的,对在不锈钢基体上设置复合材料涂层的工艺有着较高要求。中科院曾利用冷喷涂工艺在钢基体上制备出B4C/Al复合涂层。冷喷涂工艺是在低温状态下通过高速粉末颗粒撞击基体时的塑性变形所形成的涂层。该方法所获得的B4C/Al复合涂层中,孔隙率在5%以下,结合力高于30MPa,厚度在500μm以上,B4C颗粒在Al基体中基本均匀分布。但由于该工艺原理所限,所制备涂层与基体的结合力不高,孔隙率偏高,在含放射性、高腐蚀性复杂环境下长期使用时,容器表面易产生微小原电池而导致孔隙腐蚀,严重时涂层脱落。
非晶合金(也称金属玻璃)是一类原子排列长程无序的新型金属结构材料,与普通合金和B4C陶瓷相比,非晶合金没有晶粒、晶界、位错等缺陷的存在,因而表现出许多优异的物理化学性能,具有高弹性、高强度等一系列优异的力学性能,在航天、国防、能源等领域显示广阔的应用前景。而铁基非晶合金具有低廉的原材料成本、优异的耐磨和耐腐蚀性能、出众的热稳定性等特性,使其在各种酸、海水、污水等腐蚀介质环境中得到应用。非晶合金中含有较高含量的B元素,具有优异的中子吸收能力,据国外文献资料记载,非晶合金的中子吸收能力是不锈钢和Ni基高温合金(C22)的7倍,是硼钢的3倍以上,因此非晶合金可用于核辐射防护领域的中子吸收材质。但由于非晶合金塑形变形能力差、断裂韧性低,因此非晶合金不适合作为结构材料。
超音速火焰喷涂(HVOF)是利用丙烷、丙烯等碳氢系燃气或氢气与高压氧气在燃烧室内,或在特殊的喷嘴中燃烧产生的高温、高速燃烧焰流。超音速火焰喷涂热输入适中,喷射速度高,涂层不易晶化且结构致密,是制备铁基非晶涂层的优选技术。目前,国内仍未见超音速喷涂非晶合金涂层在核废料容器辐射防护领域应用的报道,而且国内科研及企业在其他应用领域制备的非晶合金涂层仍存在涂层硬度偏低(维氏硬度一般在530~950HV之间),非晶含量低(80%以下)涂层与基体的结合力不高(25~45MPa之间),硼含量低(原子含量15%以下),摩擦系数高(0.4以上)等不足。为此本发明提出了一种用于核废料容器辐射防护的非晶合金涂层新型制备方法。
发明内容
本发明的目的,就是为了解决上述问题而提供了用于核废料容器辐射防护的非晶合金涂层制备方法。
本发明的目的是这样实现的:
本发明的一种用于核废料容器辐射防护的非晶合金涂层制备方法包括以下步骤:
S1:将质量百分含量比为15~25%﹕75~85%的Al2O3粉末和Fe-Cr-C-Si-Gd-B铁基非晶合金粉末采用高速混合机进行混合,混合功率15~30kW,转速4000~5000转/分钟,混合时间为60~240min,得到混合粉体,其中Fe-Cr-C-Si-Gd-B铁基非晶合金的成分为铁42.4-51.4wt%、铬40.0-45.0wt%、碳≤0.2wt%、硅1.5-2.5wt%、钆2.0-3.5wt%、硼5.0-6.5wt%;
S2:使用大功率超声波对S1中得到的混合粉末进行超声波筛分得到Al2O3粉末和铁基非晶合金复合粉末,工作频率30~40KHz,时间15~30min;
S3:将Al2O3粉末和铁基非晶合金复合粉末装入烘箱进行烘干,烘干温度为100±3℃,烘干时间60±10min,然后自然冷却至室温;以及
S4:采用超音速火焰喷涂法,通过喷枪将S3中的复合粉末直接喷涂到核废料容器表面,得到一层Fe-Cr-C-Si-Gd-B铁基非晶合金复合涂层,随后喷枪在核废料容器表面上方来回重复喷涂,使铁基非晶合金复合涂层层层堆积,每一层复合涂层的厚度为10~20μm;超音速火焰喷涂的焰流速度>2000m/s,喷射颗粒速度为400~500m/s,喷涂时容器外表面温度<100℃,氧气流量为200~250L/min,送粉率25~35g/min,喷涂时喷枪距离核废料容器表面200~275mm。
上述的用于核废料容器辐射防护的非晶合金涂层制备方法中Al2O3粉末的粒度范围为15-50μm,非晶合金的粒度范围为15-50μm。
上述的Fe-Cr-C-Si-Gd-B铁基非晶合金的成分为:铁42.4-51.4wt%、铬40.0-45.0wt%、碳≤0.2wt%、硅1.5-2.5wt%、钆2.0-3.5wt%、硼5.0-6.5wt%。
上述的用于核废料容器辐射防护的非晶合金涂层制备方法中堆积后的Fe-Cr-C-Si-Gd-B铁基非晶合金复合涂层的孔隙率<0.8%,涂层非晶含量>80%,涂层维氏硬度>1100HV,涂层与基体结合力>50MPa,厚度在50-2000μm。
上述的用于核废料容器辐射防护的非晶合金涂层制备方法中堆积后的Fe-Cr-C-Si-Gd-B铁基非晶合金复合涂层的热中子吸收能力≥95%。
本发明用于核废料容器辐射防护的非晶合金涂层制备方法提高Fe-Cr-C-Si-Gd-B铁基非晶合金复合涂层与核反应堆废料容器的结合力、致密度、非晶含量和耐磨性能,降低了非晶合金复合涂层的孔隙率,同时涂层具有优异的中子吸收能力。
具体实施方式
下面将结合实施例1~3和对比例1~3对本发明作进一步说明。
实施例1
本实施例的用于核废料容器辐射防护的非晶合金涂层制备方法包括以下步骤:
S1:将质量百分含量比为20%﹕80%的Al2O3粉末和Fe-Cr-C-Si-Gd-B铁基非晶合金粉末采用高速混合机进行混合,混合功率20kW,转速4000转/分钟,混合时间为120min,得到混合粉体;
S2:使用大功率超声波对S1中得到的混合粉末进行超声波筛分得到Al2O3粉末和铁基非晶合金复合粉末,达到破坏团聚、均匀分散的效果,工作频率30~40KHz,时间20min;
S3:将制备的Al2O3粉末和铁基非晶合金复合粉末装入烘箱进行烘干,去除粉末内的水分,防止粉末在加热喷涂过程中产生气孔,导致涂层质量降低。烘干温度为100℃,烘干时间60min,然后自然冷却至室温;以及
S4:采用超音速火焰喷涂法,通过喷枪将S3中的复合粉末直接喷涂到核废料容器表面,得到一层Fe-Cr-C-Si-Gd-B铁基非晶合金复合涂层,随后喷枪在核废料容器表面上方来回重复喷涂,使铁基非晶合金复合涂层层层堆积,每一层复合涂层的厚度为10到20μm;进行超音速火焰喷涂时,超音速火焰喷涂的焰流速度>2000m/s,喷射颗粒速度为400~500m/s,喷涂时容器外表面温度<100℃,氧气流量为250L/min,送粉率30g/min,喷涂时喷枪距离核废料容器表面250mm。
其中,S1中的Al2O3和铁基非晶合金混合粉末的粒度为30μm,S1中的Al合金的粒度为30μm;
S4中的沉积后的铁基非晶合金复合涂层根据GB/T 13298~2015标准检测出的孔隙率为0.56%,根据GB/T 8642~2002标准测试后的涂层结合力为52MPa,厚度在300μm;涂层表面维氏硬度检测结果为1170HV,球盘式旋转摩擦试验机测试出(选用直径4mm的Si3N4球作为摩擦副,载荷为10N)的涂层摩擦系数为0.19,通过差式扫描量热仪检测出涂层中非晶成分含量82%;
S4中的沉积后的铁基非晶合金复合涂层的热中子吸收性能大于95%,在反应堆内进行4.0×1013~2.5×1014cm~2注量的中子辐照后,材料未发生明显的辐照损伤和不利的相变;电化学工作站tafel极化曲线测试得到涂层的腐蚀电流约为1.6×10~5A/cm2
S2中使用大功率超声波对S1中得到的混合粉体表面进行超声波筛分时,将该混合粉体送入超声波破碎机进行超声振动筛选,超声波频率为30000~40000Hz,从而减少混合粉体的大颗粒团聚和粘连成块,从而增加筛分量、减少大粒子的数量,Al2O3和铁基非晶合金混合粉末更为分散,级配更加均匀;
其中核废料容器为牌号为316L的不锈钢基体。
对比例1:
本对比例的用于核废料容器辐射防护的非晶合金涂层制备方法包括以下步骤:
S1:使用大功率超声波对质量百分含量比为100%的Fe-Cr-C-Si-Gd-B铁基非晶合金粉末进行超声波筛分得到纯铁基非晶合金粉末,达到破坏团聚、均匀分散的效果,工作频率30~40KHz,时间20min;
S3:将制备的纯铁基非晶合金粉末装入烘箱进行烘干,去除粉末内的水分,防止粉末在加热喷涂过程中产生气孔,导致涂层质量降低。烘干温度为100℃,烘干时间60min,然后自然冷却至室温;以及
S4:采用超音速火焰喷涂法,通过喷枪将S3中的粉末直接喷涂到核废料容器表面,得到一层Fe-Cr-C-Si-Gd-B铁基非晶合金涂层,随后喷枪在核反应堆废料容器表面上方来回重复喷涂,使铁基非晶合金涂层层层堆积,每一层涂层的厚度为10到20μm;进行超音速火焰喷涂时,超音速火焰喷涂的焰流速度>2000m/s,喷射颗粒速度为400~500m/s,喷涂时容器外表面温度<100℃,氧气流量为250L/min,送粉率30g/min,喷涂时喷枪距离核废料容器表面250mm。
S1中的纯铁基非晶合金粉末的粒度为30μm;
S4中的沉积后的铁基非晶合金复合涂层根据GB/T 13298~2015标准检测出的孔隙率为1.26%,根据GB/T 8642~2002标准测试后的涂层结合力为43MPa,厚度在300μm;涂层表面维氏硬度检测结果为1085HV,球盘式旋转摩擦试验机测试出(选用直径4mm的Si3N4球作为摩擦副,载荷为10N)的涂层摩擦系数为0.43,通过差式扫描量热仪检测出涂层中非晶成分含量84%;
S4中的沉积后的铁基非晶合金复合涂层的热中子吸收性能大于95%,在反应堆内进行4.0×1013~2.5×1014cm~2注量的中子辐照后,材料未发生明显的辐照损伤和不利的相变;电化学工作站tafel极化曲线测试得到涂层的腐蚀电流约为3.1×10~5A/cm2
S2中使用大功率超声波对S1中得到的铁基非晶合金粉末进行超声波筛分时,将该粉末送入超声波破碎机进行超声振动筛选,超声波频率为30000~40000Hz,从而减少铁基非晶合金粉末的大颗粒团聚和粘连成块,从而增加筛分量、减少大粒子的数量,铁基非晶合金粉末更为分散,级配更加均匀;
核废料容器为牌号为316L的不锈钢基体。
实施例2
本实施例用于核废料容器辐射防护的非晶合金涂层制备方法包括以下步骤:
S1:将质量百分含量比为20%﹕80%的Al2O3粉末和Fe-Cr-C-Si-Gd-B铁基非晶合金粉末采用高速混合机进行混合,混合功率20kW,转速4000转/分钟,混合时间为120min,得到混合粉体;
S2:使用大功率超声波对S1中得到的混合粉末进行超声波筛分得到Al2O3粉末和铁基非晶合金复合粉末,达到破坏团聚、均匀分散的效果,工作频率30~40KHz,时间20min;
S3:将制备的Al2O3粉末和铁基非晶合金复合粉末装入烘箱进行烘干,去除粉末内的水分,防止粉末在加热喷涂过程中产生气孔,导致涂层质量降低。烘干温度为100℃,烘干时间60min,然后自然冷却至室温;以及
S4:采用超音速火焰喷涂法,通过喷枪将S3中的复合粉末直接喷涂到核废料容器表面,得到一层Fe-Cr-C-Si-Gd-B铁基非晶合金复合涂层,随后喷枪在核废料容器表面上方来回重复喷涂,使铁基非晶合金复合涂层层层堆积,每一层复合涂层的厚度为10到20μm;进行超音速火焰喷涂时,超音速火焰喷涂的焰流速度>2000m/s,喷射颗粒速度为400~500m/s,喷涂时容器外表面温度<100℃,氧气流量为270L/min,送粉率25g/min,喷涂时喷枪距离核废料容器表面225mm。
S1中的Al2O3和铁基非晶合金混合粉末的粒度为30μm,S1中的Al合金的粒度为30μm;
S4中的沉积后的铁基非晶合金复合涂层根据GB/T 13298~2015标准检测出的孔隙率为0.64%,根据GB/T 8642~2002标准测试后的涂层结合力为54MPa,厚度在300μm;涂层表面维氏硬度检测结果为1210HV,球盘式旋转摩擦试验机测试出(选用直径4mm的Si3N4球作为摩擦副,载荷为10N)的涂层摩擦系数为0.18,通过差式扫描量热仪检测出涂层中非晶成分含量80%;
S4中的沉积后的铁基非晶合金复合涂层的热中子吸收性能大于95%,在反应堆内进行4.0×1013~2.5×1014cm~2注量的中子辐照后,材料未发生明显的辐照损伤和不利的相变;电化学工作站tafel极化曲线测试得到涂层的腐蚀电流约为1.5×10~5A/cm2
S2中使用大功率超声波对S1中得到的混合粉体表面进行超声波筛分时,将该混合粉体送入超声波破碎机进行超声振动筛选,超声波频率为30000~40000Hz,从而减少混合粉体的大颗粒团聚和粘连成块,从而增加筛分量、减少大粒子的数量,Al2O3和铁基非晶合金混合粉末更为分散,级配更加均匀;
核废料容器为牌号为45号钢基体。
对比例2
本对比例的用于核废料容器辐射防护的非晶合金涂层制备方法包括以下步骤:
S1:将质量百分含量比为20%﹕80%的Al2O3粉末和Fe-Cr-C-Si-Gd-B铁基非晶合金粉末采用高速混合机进行混合,混合功率20kW,转速4000转/分钟,混合时间为120min,得到混合粉体;
S2:使用大功率超声波对S1中得到的混合粉末进行超声波筛分得到Al2O3粉末和铁基非晶合金复合粉末,达到破坏团聚、均匀分散的效果,工作频率30~40KHz,时间20min;
S3:将制备的Al2O3粉末和铁基非晶合金复合粉末装入烘箱进行烘干,去除粉末内的水分,防止粉末在加热喷涂过程中产生气孔,导致涂层质量降低。烘干温度为100℃,烘干时间60min,然后自然冷却至室温;以及
S4:采用超音速火焰喷涂法,通过喷枪将S2中的复合粉末直接喷涂到核废料容器表面,得到一层Fe-Cr-C-Si-Gd-B铁基非晶合金复合涂层,随后喷枪在核废料容器表面上方来回重复喷涂,使铁基非晶合金复合涂层层层堆积,每一层复合涂层的厚度为10到20μm;进行超音速火焰喷涂时,超音速火焰喷涂的焰流速度>2000m/s,喷射颗粒速度为400~500m/s,喷涂时容器外表面温度<100℃,氧气流量为150L/min,送粉率20g/min,喷涂时喷枪距离核废料容器表面150mm。
S1中的Al2O3和铁基非晶合金混合粉末的粒度为30μm,S1中的Al合金的粒度为30μm;
S4中的沉积后的铁基非晶合金复合涂层根据GB/T 13298~2015标准检测出的孔隙率为1.28%,根据GB/T 8642~2002标准测试后的涂层结合力为39MPa,厚度在300μm;涂层表面维氏硬度检测结果为1100HV,球盘式旋转摩擦试验机测试出(选用直径4mm的Si3N4球作为摩擦副,载荷为10N)的涂层摩擦系数为0.19,通过差式扫描量热仪检测出涂层中非晶成分含量62%;
S4中的沉积后的铁基非晶合金复合涂层的热中子吸收性能约86%,在反应堆内进行4.0×1013~2.5×1014cm~2注量的中子辐照后,材料未发生明显的辐照损伤和不利的相变;电化学工作站tafel极化曲线测试得到涂层的腐蚀电流约为5.3×10~5A/cm2
S2中使用大功率超声波对S1中得到的混合粉体表面进行超声波筛分时,将该混合粉体送入超声波破碎机进行超声振动筛选,超声波频率为30000~40000Hz,从而减少混合粉体的大颗粒团聚和粘连成块,从而增加筛分量、减少大粒子的数量,Al2O3和铁基非晶合金混合粉末更为分散,级配更加均匀;
核废料容器为牌号为45号钢基体。
实施例3
本实施例的用于核废料容器辐射防护的非晶合金涂层制备方法包括以下步骤:
S1:将质量百分含量比为20%﹕80%的Al2O3粉末和Fe-Cr-C-Si-Gd-B铁基非晶合金粉末采用高速混合机进行混合,混合功率20kW,转速4000转/分钟,混合时间为120min,得到混合粉体;
S2:使用大功率超声波对S1中得到的混合粉末进行超声波筛分得到Al2O3粉末和铁基非晶合金复合粉末,达到破坏团聚、均匀分散的效果,工作频率30~40KHz,时间20min;
S3:将制备的Al2O3粉末和铁基非晶合金复合粉末装入烘箱进行烘干,去除粉末内的水分,防止粉末在加热喷涂过程中产生气孔,导致涂层质量降低。烘干温度为100℃,烘干时间60min,然后自然冷却至室温;以及
S4:采用超音速火焰喷涂法,通过喷枪将S3中的复合粉末直接喷涂到核废料容器表面,得到一层Fe-Cr-C-Si-Gd-B铁基非晶合金复合涂层,随后喷枪在核废料容器表面上方来回重复喷涂,使铁基非晶合金复合涂层层层堆积,每一层复合涂层的厚度为10到20μm;进行超音速火焰喷涂时,超音速火焰喷涂的焰流速度>2000m/s,喷射颗粒速度为400~500m/s,喷涂时容器外表面温度<100℃,氧气流量为200L/min,送粉率35g/min,喷涂时喷枪距离核废料容器表面200mm。
S1中的Al2O3和铁基非晶合金混合粉末的粒度为30μm,S1中的Al合金的粒度为30μm;
S4中的沉积后的铁基非晶合金复合涂层根据GB/T 13298~2015标准检测出的孔隙率为0.73%,根据GB/T 8642~2002标准测试后的涂层结合力为53MPa,厚度在300μm;涂层表面维氏硬度检测结果为1250HV,球盘式旋转摩擦试验机测试出(选用直径4mm的Si3N4球作为摩擦副,载荷为10N)的涂层摩擦系数为0.18,通过差式扫描量热仪检测出涂层中非晶成分含量81%;
S4中的沉积后的铁基非晶合金复合涂层的热中子吸收性能大于95%,在反应堆内进行4.0×1013~2.5×1014cm~2注量的中子辐照后,材料未发生明显的辐照损伤和不利的相变;电化学工作站tafel极化曲线测试得到涂层的腐蚀电流约为2.1×10~5A/cm2
S2中使用大功率超声波对S1中得到的混合粉体表面进行超声波筛分时,将该混合粉体送入超声波破碎机进行超声振动筛选,超声波频率为30000~40000Hz,从而减少混合粉体的大颗粒团聚和粘连成块,从而增加筛分量、减少大粒子的数量,Al2O3和铁基非晶合金混合粉末更为分散,级配更加均匀;
核废料容器为牌号为45号钢基体。
对比例3
本对比例的用于核废料容器辐射防护的非晶合金涂层制备方法包括以下步骤:
S1:将质量百分含量比为20%﹕80%的Al2O3粉末和Fe-Cr-C-Si-Gd-B铁基非晶合金粉末采用高速混合机进行混合,混合功率20kW,转速4000转/分钟,混合时间为120min,得到混合粉体;
S2:使用大功率超声波对S1中得到的混合粉末进行超声波筛分得到Al2O3粉末和铁基非晶合金复合粉末,达到破坏团聚、均匀分散的效果,工作频率30~40KHz,时间20min;
S3:采用超音速火焰喷涂法,通过喷枪将S2中的复合粉末直接喷涂到核废料容器表面,得到一层Fe-Cr-C-Si-Gd-B铁基非晶合金复合涂层,随后喷枪在核废料容器表面上方来回重复喷涂,使铁基非晶合金复合涂层层层堆积,每一层复合涂层的厚度为10到20μm;进行超音速火焰喷涂时,超音速火焰喷涂的焰流速度>2000m/s,喷射颗粒速度为400~500m/s,喷涂时容器外表面温度<100℃,氧气流量为150L/min,送粉率20g/min,喷涂时喷枪距离核废料容器表面150mm。
S1中的Al2O3和铁基非晶合金混合粉末的粒度为30μm,S1中的Al合金的粒度为30μm;
S4中的沉积后的铁基非晶合金复合涂层根据GB/T 13298~2015标准检测出的孔隙率为1.95%,根据GB/T 8642~2002标准测试后的涂层结合力为45MPa,厚度在300μm;涂层表面维氏硬度检测结果为1130HV,球盘式旋转摩擦试验机测试出(选用直径4mm的Si3N4球作为摩擦副,载荷为10N)的涂层摩擦系数为0.25,通过差式扫描量热仪检测出涂层中非晶成分含量68%;
S4中的沉积后的铁基非晶合金复合涂层的热中子吸收性能约84%,在反应堆内进行4.0×1013~2.5×1014cm~2注量的中子辐照后,材料未发生明显的辐照损伤和不利的相变;电化学工作站tafel极化曲线测试得到涂层的腐蚀电流约为6.2×10~5A/cm2
S2中使用大功率超声波对S1中得到的混合粉体表面进行超声波筛分时,将该混合粉体送入超声波破碎机进行超声振动筛选,超声波频率为30000~40000Hz,从而减少混合粉体的大颗粒团聚和粘连成块,从而增加筛分量、减少大粒子的数量,Al2O3和铁基非晶合金混合粉末更为分散,级配更加均匀;
核废料容器为牌号为45号钢基体。
通过实施例1~3及对比例1~3可以看出,运用本发明的表面处理方法得到的Al2O3和铁基非晶合金复合涂层Al2O3和铁基非晶合金粉末撞击核反应堆废料容器表面的速度得到极大提升,进一步确保了致密度、结合强度和非晶含量,复合涂层的孔隙率<0.8%,非晶含量>80%,维氏硬度>1100HV,涂层与基体的结合力>50MPa;Fe-Cr-C-Si-Gd-B铁基非晶合金复合涂层中硼含量高,B原子含量≥45%;铁基非晶合金复合涂层热中子吸收能力强,其中子吸收截面远超普通含硼不锈钢,热中子吸收能力≥95%;Al2O3的掺杂大大提高了涂层的耐摩擦性能,摩擦系数<0.25,Al2O3在涂层内的弥散分布可阻止应力集中和微裂纹的产生,从而提高了涂层的耐腐蚀性。本发明通过高速混合机混合、超声波筛分、烘箱烘干处理以及超音速火焰喷涂法,大大提升了致密度和结合强度。
以上实施例仅供说明本发明之用,而非对本发明的限制,有关技术领域的技术人员,在不脱离本发明的精神和范围的情况下,还可以作出各种变换或变型,因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴,应由各权利要求所限定。

Claims (5)

1.一种用于核废料容器辐射防护的非晶合金涂层制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1:将质量百分含量比为15~25%﹕75~85%的Al2O3粉末和Fe-Cr-C-Si-Gd-B铁基非晶合金粉末采用高速混合机进行混合,混合功率15~30kW,转速4000~5000转/分钟,混合时间为60~240min,得到混合粉体;
S2:使用大功率超声波对S1中得到的混合粉末进行超声波筛分得到Al2O3粉末和铁基非晶合金复合粉末,工作频率30~40KHz,时间15~30min;
S3:将所述Al2O3粉末和铁基非晶合金复合粉末装入烘箱进行烘干,烘干温度为100±3℃,烘干时间60±10min,然后自然冷却至室温;以及
S4:采用超音速火焰喷涂法,通过喷枪将S3中的复合粉末直接喷涂到核废料容器表面,得到一层Fe-Cr-C-Si-Gd-B铁基非晶合金复合涂层,随后喷枪在核废料容器表面上方来回重复喷涂,使所述铁基非晶合金复合涂层层层堆积,每一层复合涂层的厚度为10~20μm;所述超音速火焰喷涂的焰流速度>2000m/s,喷射颗粒速度为400~500m/s,喷涂时容器外表面温度<100℃,氧气流量为200~250L/min,送粉率25~35g/min,喷涂时喷枪距离核废料容器表面200~275mm。
2.如权利要求1所述的用于核废料容器辐射防护的非晶合金涂层制备方法,其特征在于,所述Fe-Cr-C-Si-Gd-B铁基非晶合金包括铁42.4-51.4wt%、铬40.0-45.0wt%、碳≤0.2wt%、硅1.5-2.5wt%、钆2.0-3.5wt%、硼5.0-6.5wt%。
3.如权利要求1所述的用于核废料容器辐射防护的非晶合金涂层制备方法,其特征在于,所述Al2O3粉末的粒度范围为15-50μm,所述非晶合金的粒度范围为15-50μm。
4.如权利要求1所述的用于核废料容器辐射防护的非晶合金涂层制备方法,其特征在于,堆积后的所述Fe-Cr-C-Si-Gd-B铁基非晶合金复合涂层的孔隙率<0.8%,涂层非晶含量>80%,涂层维氏硬度>1100HV,涂层与基体结合力>50MPa,厚度在50-2000μm。
5.如权利要求1所述的用于核废料容器辐射防护的非晶合金涂层制备方法,其特征在于,堆积后的所述Fe-Cr-C-Si-Gd-B铁基非晶合金复合涂层的热中子吸收能力≥95%。
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