基于事故容错燃料的ZrO 2 /FeCrAl复合涂层的制备及氧化行为研究
发布时间：2022-11-01 20:10
2011年福岛核事故之后,世界范围内迫切需要更加先进的能够在较长时间内抵抗冷却剂丧失事故同时保持或提高正常工况性能的核燃料系统,即事故容错燃料。核燃料包壳是核反应堆中的第一道安全屏障,包壳材料事故容错性能的提升是事故容错燃料研究的重点。锆合金是目前水冷核动力反应堆中最为广泛使用的燃料包壳材料,但其在高温高压水蒸气环境下发生剧烈的氧化反应并生成大量氢气,无法满足事故容错燃料的要求。FeCrAl合金能够在1400℃的范围内保持优异的抗氧化性能,因此FeCrAl合金包壳以及锆合金表面FeCrAl涂层成为事故容错燃料研究的重点方向。锆合金与其表面FeCrAl涂层在高温下相互扩散并产生金属间化合物,会对基体性能和膜基结合力产生严重影响。因此,必须添加缓冲层避免由扩散导致的涂层失效。缓冲层需要具有高温稳定性,高结合强度,并与FeCrAl涂层热膨胀系数匹配。本论文采用微弧氧化技术（MAO）在锆合金表面制备ZrO2缓冲层,并利用磁控溅射技术在ZrO2缓冲层表面沉积FeCrAl涂层,最终得到具有事故容错能力的ZrO2/FeCrA1复合涂层...
【文章页数】：124 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 核电发展概述
1.2 核反应堆与锆合金包壳
1.2.1 核反应堆内结构材料
1.2.2 锆合金包壳的性能
1.2.3 锆合金包壳面临的挑战
1.3 事故容错燃料包壳(ATFC)
1.3.1 替代锆合金的新型燃料包壳
1.3.2 锆合金包壳表面涂层
1.4 FeCrAl合金在事故容错燃料研究中存在的问题
1.4.1 热中子吸收截面与辐照脆化问题
1.4.2 Zr-FeCrAl高温扩散问题
1.5 本论文研究思路和主要研究内容
第二章 研究方法
2.1 实验材料
2.2 微弧氧化制备ZrO_2缓冲层
2.2.1 微弧氧化技术简介
2.2.2 微弧氧化装置
2.2.3 微弧氧化制备工艺
2.3 磁控溅射沉积FeCrAl外层
2.3.1 磁控溅射技术简介
2.3.2 磁控溅射装置
2.3.3 磁控溅射制备工艺
2.4 氧化实验
2.4.1 超临界水氧化
2.4.2 高温蒸汽氧化
2.5 结构与性能表征
2.5.1 X射线衍射分析(XRD)
2.5.2 扫面电镜(SEM)形貌观察及能谱分析(EDS)
2.5.3 电化学测试
2.5.4 结合强度
2.5.5 涂层厚度
第三章 ZrO_2/FeCrAl复合涂层制备与工艺优化
3.1 ZrO_2微弧氧化涂层工艺研究
3.1.1 不同主盐电解液对微弧氧化涂层的影响
3.1.2 添加剂对微弧氧化涂层的影响
3.1.3 电压对微弧氧化涂层的影响
3.1.4 工艺参数对微弧氧化涂层的影响机制
3.2 ZrO_2/FeCrAl复合涂层的制备
3.3 本章小结
第四章 ZrO_2缓冲层的氧化行为
4.1 超临界水氧化行为
4.1.1 电解液的影响
4.1.2 微弧氧化涂层与水热氧化涂层对比
4.2 高温蒸汽氧化行为
4.2.1 高温蒸汽氧化动力学曲线
4.2.2 氧化层物相组成
4.2.3 氧化层微观组织形貌
4.3 本章小结
第五章 ZrO_2/FeCrAl复合涂层的氧化行为
5.1 超临界水氧化行为
5.1.1 氧化增重对比
5.1.2 物相组成分析
5.1.3 形貌特征对比
5.2 高温蒸汽氧化行为
5.2.1 氧化动力学曲线对比
5.2.2 物相组成对比
5.2.3 微观形貌及界面元素分布
5.3 本章小结
第六章 总结与展望
6.1 主要结论
6.2 本研究工作的创新点
6.3 今后的工作和展望
致谢
参考文献
作者在攻读博士学位期间公开发表的论文
作者在攻读博士学位期间参加的学术交流活动
【参考文献】：
博士论文
[1]Mg-7Li合金微弧氧化涂层及其腐蚀和摩擦性能研究[D]. 李俊刚.哈尔滨工业大学 2013
[2]锆合金在550℃/25MPa超临界水中腐蚀行为的研究[D]. 李强.上海大学 2008
硕士论文
[1]磁控溅射铝防护涂层制备及其应用研究[D]. 陈梓赫.广东工业大学 2015
[2]蒸镀、磁控溅射铝和铝合金薄膜的组织与性能[D]. 孟红梅.天津大学 2007
本文编号：3700021
【文章页数】：124 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 核电发展概述
1.2 核反应堆与锆合金包壳
1.2.1 核反应堆内结构材料
1.2.2 锆合金包壳的性能
1.2.3 锆合金包壳面临的挑战
1.3 事故容错燃料包壳(ATFC)
1.3.1 替代锆合金的新型燃料包壳
1.3.2 锆合金包壳表面涂层
1.4 FeCrAl合金在事故容错燃料研究中存在的问题
1.4.1 热中子吸收截面与辐照脆化问题
1.4.2 Zr-FeCrAl高温扩散问题
1.5 本论文研究思路和主要研究内容
第二章 研究方法
2.1 实验材料
2.2 微弧氧化制备ZrO_2缓冲层
2.2.1 微弧氧化技术简介
2.2.2 微弧氧化装置
2.2.3 微弧氧化制备工艺
2.3 磁控溅射沉积FeCrAl外层
2.3.1 磁控溅射技术简介
2.3.2 磁控溅射装置
2.3.3 磁控溅射制备工艺
2.4 氧化实验
2.4.1 超临界水氧化
2.4.2 高温蒸汽氧化
2.5 结构与性能表征
2.5.1 X射线衍射分析(XRD)
2.5.2 扫面电镜(SEM)形貌观察及能谱分析(EDS)
2.5.3 电化学测试
2.5.4 结合强度
2.5.5 涂层厚度
第三章 ZrO_2/FeCrAl复合涂层制备与工艺优化
3.1 ZrO_2微弧氧化涂层工艺研究
3.1.1 不同主盐电解液对微弧氧化涂层的影响
3.1.2 添加剂对微弧氧化涂层的影响
3.1.3 电压对微弧氧化涂层的影响
3.1.4 工艺参数对微弧氧化涂层的影响机制
3.2 ZrO_2/FeCrAl复合涂层的制备
3.3 本章小结
第四章 ZrO_2缓冲层的氧化行为
4.1 超临界水氧化行为
4.1.1 电解液的影响
4.1.2 微弧氧化涂层与水热氧化涂层对比
4.2 高温蒸汽氧化行为
4.2.1 高温蒸汽氧化动力学曲线
4.2.2 氧化层物相组成
4.2.3 氧化层微观组织形貌
4.3 本章小结
第五章 ZrO_2/FeCrAl复合涂层的氧化行为
5.1 超临界水氧化行为
5.1.1 氧化增重对比
5.1.2 物相组成分析
5.1.3 形貌特征对比
5.2 高温蒸汽氧化行为
5.2.1 氧化动力学曲线对比
5.2.2 物相组成对比
5.2.3 微观形貌及界面元素分布
5.3 本章小结
第六章 总结与展望
6.1 主要结论
6.2 本研究工作的创新点
6.3 今后的工作和展望
致谢
参考文献
作者在攻读博士学位期间公开发表的论文
作者在攻读博士学位期间参加的学术交流活动
【参考文献】：
博士论文
[1]Mg-7Li合金微弧氧化涂层及其腐蚀和摩擦性能研究[D]. 李俊刚.哈尔滨工业大学 2013
[2]锆合金在550℃/25MPa超临界水中腐蚀行为的研究[D]. 李强.上海大学 2008
硕士论文
[1]磁控溅射铝防护涂层制备及其应用研究[D]. 陈梓赫.广东工业大学 2015
[2]蒸镀、磁控溅射铝和铝合金薄膜的组织与性能[D]. 孟红梅.天津大学 2007
本文编号：3700021
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianlidianqilunwen/3700021.html
