一種鋯合金表面原位垂直生長石墨烯防腐層的制備方法
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及鋯合金表面防腐層的制備方法。
【背景技術】
[0002]隨著能源危機的日益加劇，核能作為清潔高效的能源受到廣泛的關注，全世界約16%的電能來自于核能。其中輕水反應堆的發電量占全世界核電的87%、世界總發電量的14%。而鋯合金以其熱中子吸收截面小，在350°C下具有優良的機械性能且成本相對較低等特點，被廣泛應用于水反應堆燃料包殼和其他堆內結構件中。近年來，隨著核電的迅速發展以及人類對反應堆安全性和經濟性要求的提高，進一步改善鋯合金在反應堆高燃耗下的性能，延長其工作壽命成了一個重要的課題。鋯合金包殼在服役時長時間與冷卻劑水接觸，此外在實際應用中一般在冷卻劑中加入反應毒性物質B，一般以H3BO3B式加入，但加入后冷卻劑呈酸性，為了調節冷卻劑的PH值，還會加入L1H等使冷卻劑偏堿性，偏堿性的冷卻劑會加速鋯合金腐蝕，所以鋯合金包殼工作壽命的延長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，除了設計新的鋯合金材料外，表面處理技術就成為了重要的工藝手段，這些技術包括高壓釜預膜、激光表面合金化、表面激光處理、離子注入、離子輻照和陽極氧化技術等，主要是通過表面改性的途徑提高鋯合金的耐腐蝕性能和抗磨損能力。
【發明內容】
[0003]本發明要解決現有鋯合金包殼耐水側腐蝕性能差，燃料包殼的使用壽命短的問題，而提供一種鋯合金表面原位垂直生長石墨烯防腐層的制備方法。
[0004]—種鋯合金表面原位垂直生長石墨烯防腐層的制備方法，具體是按照以下步驟進行的:
[0005]—、將鋯合金置于等離子體增強化學氣相沉積真空裝置中，抽真空至壓強為5Pa，通入氬氣和氫氣，調節氬氣的氣體流量為20sccm，調節氫氣的氣體流量為20sccm，調節抽真空速度將等離子體增強化學氣相沉積真空裝置中壓強控制為lOOPa，然后在壓強為10Pa的條件下，將溫度升溫至為300°C?1000°C，升溫后，打開射頻電源，調節射頻功率為150W，在射頻功率為150W、壓強為10Pa和溫度為300°C?1000°C的條件下進行表面處理，表面處理時間為30min ；
[0006]二、表面處理后，關閉射頻電源，通入甲烷氣體，調節甲烷氣體的氣體流量為5sccm?50sccm，調節氬氣的氣體流量為50sccm?200sccm，保持氫氣的氣體流量為20sCCm，調節抽真空速度將等離子體增強化學氣相沉積真空裝置中壓強控制為50Pa?500Pa，打開射頻電源，然后在射頻功率為200W、壓強為50Pa?500Pa和溫度為300 °C?1000°C的條件下進行沉積，沉積時間為1min?60min ;
[0007]三、沉積結束后，關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石墨烯防腐層的制備方法。
[0008]本發明提高耐腐蝕性能的原理為:利用等離子體增強化學氣相沉積方法，無需催化劑輔助下原位在鋯合金表面直接生長石墨烯薄膜，改善了鋯合金表面狀態，石墨烯與鋯合金結合良好，垂直生長的石墨烯與水的潤濕角提高到130°，與水不潤濕，可提高鋯合金的水側耐腐蝕性能，同時石墨烯具有良好的導熱性能，有利于燃料包殼的熱量向冷卻劑轉移。此外，碳的熱中子吸收截面小，不會影響鋯合金包殼的輻照性能。
[0009]本發明的有益效果是:1.解決了現有鋯合金包殼抗水側偏堿性的冷卻劑腐蝕的問題，有助于提高鋯合金包殼的壽命。鋯合金包殼會與偏堿性的300°C左右的水冷卻劑長期接觸，為提高其水側耐腐蝕性能，在鋯合金表面原位生長垂直石墨烯，由于石墨烯與水不潤濕，導熱性良好，且具有良好的力學性能、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，延長包殼的使用壽命，滿足工程使用要求。
[0010]2.本發明可在低溫環境下無需催化劑輔助，直接原位在鋯合金表面垂直生長石墨烯薄膜，避免了一些雜質、特別是熱中子吸收截面大的元素引入。
[0011]3.本發明所使用的等離子體增強化學氣相沉積方法簡單、高效、低成本、便于工業化生產。
[0012]本發明用于一種鋯合金表面原位垂直生長石墨烯防腐層的制備方法。
【附圖說明】
[0013]圖1為實施例一制備的表面原位垂直生長石墨烯防腐層的鋯合金掃描電鏡照片。
【具體實施方式】
[0014]本發明技術方案不局限于以下所列舉的【具體實施方式】，還包括各【具體實施方式】之間的任意組合。
[0015]【具體實施方式】一:本實施方式所述的一種鋯合金表面原位垂直生長石墨烯防腐層的制備方法，具體是按照以下步驟進行的:
[0016]—、將鋯合金置于等離子體增強化學氣相沉積真空裝置中，抽真空至壓強為5Pa，通入氬氣和氫氣，調節氬氣的氣體流量為20sccm，調節氫氣的氣體流量為20sccm，調節抽真空速度將等離子體增強化學氣相沉積真空裝置中壓強控制為lOOPa，然后在壓強為10Pa的條件下，將溫度升溫至為300°C?1000°C，升溫后，打開射頻電源，調節射頻功率為150W，在射頻功率為150W、壓強為10Pa和溫度為300°C?1000°C的條件下進行表面處理，表面處理時間為30min ；
[0017]二、表面處理后，關閉射頻電源，通入甲烷氣體，調節甲烷氣體的氣體流量為5sccm?50sccm，調節氬氣的氣體流量為50sccm?200sccm，保持氫氣的氣體流量為20sCCm，調節抽真空速度將等離子體增強化學氣相沉積真空裝置中壓強控制為50Pa?500Pa，打開射頻電源，然后在射頻功率為200W、壓強為50Pa?500Pa和溫度為300 °C?1000°C的條件下進行沉積，沉積時間為1min?60min ;
[0018]三、沉積結束后，關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石墨烯防腐層的制備方法。
[0019]本實施方式的有益效果是:1.解決了現有鋯合金包殼抗水側偏堿性的冷卻劑腐蝕的問題，有助于提高鋯合金包殼的壽命。鋯合金包殼會與偏堿性的300 °C左右的水冷卻劑長期接觸，為提高其水側耐腐蝕性能，在鋯合金表面原位生長垂直石墨烯，由于石墨烯與水不潤濕，導熱性良好，且具有良好的力學性能、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，延長包殼的使用壽命，滿足工程使用要求。
[0020]2.本實施方式可在低溫環境下無需催化劑輔助，直接原位在鋯合金表面垂直生長石墨烯薄膜，避免了一些雜質、特別是熱中子吸收截面大的元素引入。
[0021]3.本實施方式所使用的等離子體增強化學氣相沉積方法簡單、高效、低成本、便于工業化生產。
[0022]【具體實施方式】二:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:步驟一中所述的鋯合金為核工業級M5、Zr-2或Zr-4核燃料包殼用鋯合金。其它與【具體實施方式】一相同。
[0023]【具體實施方式】三:本實施方式與【具體實施方式】一或二之一不同的是:步驟一中然后在壓強為10Pa的條件下，將溫度升溫至為500°C。其它與【具體實施方式】一或二相