一種用于核燃料棒鋯合金包殼激光焊接接頭的保護(hù)膜制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及金屬材料表面改性處理技術(shù)，特別涉及一種鋯合金激光焊接接頭表面 電解液制備和微弧氧化的工藝方法，主要適用于提高核燃料棒鋯合金包殼激光焊接接頭的 耐腐蝕性能，延長反應(yīng)堆燃料組件的服役壽命。
【背景技術(shù)】
[0002] 鋯的熱中子吸收截面小，具有良好的耐高溫水腐蝕性能和高溫力學(xué)性能，因此在 核動(dòng)力反應(yīng)堆中鋯合金被廣泛用做核燃料棒的包殼材料。鋯合金作為核燃料的包殼時(shí)，一 方面要將核燃料裂變時(shí)釋放的熱能傳遞給冷卻劑，同時(shí)又要避免燃料與冷卻劑接觸，包容 放射性的裂變產(chǎn)物，防止冷卻劑受到放射性物質(zhì)污染，這是反應(yīng)堆安全運(yùn)行的第一道屏障。
[0003] 核燃料裝入鋯合金包殼管后，包殼管兩端需要采用焊接方法進(jìn)行密封，以防止核 燃料泄漏。激光焊接是密封包殼管的焊接方法之一。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)（鋯及鋯合金管道焊接 技術(shù)探討.趙珍祥.化工設(shè)備與管道.2009,46 (3) :52-55)，鋯合金激光焊屬于熔化焊接方 法，焊接過程造成焊縫與母相的組織性能差異很大，存在焊縫成分蒸發(fā)現(xiàn)象并具有很大的 殘余應(yīng)力等問題，這導(dǎo)致鋯合金焊接接頭的耐腐蝕性能明顯低于其它區(qū)域。在反應(yīng)堆的高 溫高壓水環(huán)境中，鋯合金包殼焊接接頭區(qū)域比母相區(qū)更容易發(fā)生腐蝕，引起包殼破損，這可 能會(huì)導(dǎo)致核燃料泄漏，降低燃料組件的壽命。目前還缺乏鋯合金包殼管兩端焊接接頭腐蝕 防護(hù)的有效方法。
[0004] 微弧氧化技術(shù)是一種直接在有色金屬表面原位生長陶瓷層的新技術(shù)。將Al、Mg、 Ti等金屬或其合金置于電解質(zhì)水溶液中，施加高電壓使金屬表面產(chǎn)生大量游動(dòng)的等離子火 花放電斑點(diǎn)，在熱化學(xué)、等離子體化學(xué)和電化學(xué)的共同作用下生成致密的陶瓷氧化膜。微弧 氧化膜層與金屬基體結(jié)合牢固，結(jié)構(gòu)致密，提高了合金的耐磨損、耐腐蝕性能。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào) 道（鋯合金表面微弧氧化陶瓷膜制備及特性分析.薛文斌，金乾，朱慶振，華銘.材料而處 理學(xué)報(bào).2010,（2) :119-122。鋯合金微弧氧化陶瓷膜結(jié)構(gòu)和耐蝕性的研究.郝建民，緱鵬 森，郝一鳴，陳宏.熱加工工藝.2013(14) :126-128)，采用微弧氧化方法也可以在鋯合金表 面獲得較致密的氧化物陶瓷膜。
[0005] 核燃料棒鋯合金包殼表面微弧氧化膜應(yīng)該有良好的致密性、附著力以及適宜的厚 度，微弧氧化膜還應(yīng)該均勻覆蓋在包殼焊接接頭區(qū)域和母相區(qū)，使鋯合金包殼不同區(qū)域都 具有良好的耐高溫高壓水腐蝕性能以及腐蝕均勻性。目前尚缺乏一種能夠滿足核燃料棒包 殼管焊接接頭的使用環(huán)境和耐高溫高壓腐蝕防護(hù)要求，并適合鋯合金焊接接頭保護(hù)膜制備 的電解液及微弧氧化工藝。本發(fā)明采用微弧氧化方法在鋯合金激光焊接接頭表面形成均勻 致密的陶瓷氧化膜，使焊縫及母相表面陶瓷膜特性一致，提高鋯合金包殼的耐高溫腐蝕性 能以及腐蝕均勻性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)難題在于解決鋯合金焊接接頭在高溫水環(huán)境中被優(yōu)先腐 蝕問題，提供一種核燃料棒鋯合金包殼激光焊接接頭表面保護(hù)膜的制備方法，延長核燃料 棒鋯合金包殼在反應(yīng)堆高溫高壓水環(huán)境中的使用壽命。
[0007] 以下對(duì)發(fā)明方法作進(jìn)一步描述，具體如下：
[0008] 本發(fā)明所述用于鋯合金激光焊接接頭表面制備保護(hù)膜的電解液為磷酸鈉、氫氧化 鉀、甘油組成的水溶液，其中磷酸鈉濃度為2_8g/L，氫氧化鉀濃度為l_8g/L，甘油濃度為 2_8g/L的水溶液。所述的水為去離子水。
[0009] 該電解液適合各種牌號(hào)鋯合金的激光焊接接頭表面微弧氧化成膜處理，尤其適用 于核燃料棒包殼常用的含鈮或錫的鋯合金材料。
[0010] 所述的方法是按照以下步驟完成：⑴預(yù)處理：將鋯合金激光焊接樣品，用 80#-2000 #砂紙逐級(jí)打磨后，放入丙酮溶液中用超聲波清洗除油。（2)微弧氧化處理：將樣 品接在電源正極，負(fù)極接在不銹鋼電解槽，然后將核級(jí)鋯合金激光焊接試樣放入配好的電 解液中。采用微弧氧化設(shè)備對(duì)所述的鋯合金焊接試樣表面進(jìn)行微弧氧化，直至所述的鋯合 金樣品表面生成一層所需厚度的微弧氧化膜。實(shí)驗(yàn)過程中利用氣體攪拌器對(duì)電解液進(jìn)行 攪拌，利用水循環(huán)冷卻系統(tǒng)對(duì)電解槽進(jìn)行冷卻，控制溶液溫度在30°C以下。微弧氧化處理 時(shí)，所述微弧氧化電源的正向電壓為+200V~+500V，負(fù)向電壓為-50V~-200V，氧化時(shí)間 IOmin~60min〇
[0011] 在試樣表面生成微弧氧化膜之后，對(duì)所述的鋯合金激光焊接試樣進(jìn)行封孔。所 述的封孔方法為將鋯合金包殼表面的微弧氧化微孔進(jìn)行封閉，然后進(jìn)行干燥。封孔采用 常見的水封閉法，該方法包括用80~100°C的純水浸泡附著有微弧氧化膜的包殼錯(cuò)合金 3-10min，接著進(jìn)行干燥。所述的干燥方法為常見的各種干燥方法，如真空干燥、鼓風(fēng)干燥 等。本發(fā)明優(yōu)選30~50°C的風(fēng)吹干。按照上述方法在核燃料棒鋯合金包殼表面制備的微 弧氧化膜層，其厚度能夠控制在10Um~50iim。
[0012] 實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，經(jīng)過本方法處理過的鋯合金激光焊接樣品各個(gè)區(qū)域的微弧氧化膜 均勻致密、具有相同的微觀形貌和良好的耐腐蝕性能。
[0013] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0014] 充分考慮反應(yīng)堆內(nèi)核燃料棒包殼的使用環(huán)境，合理選擇鋯合金微弧氧化電解液和 氧化工藝，使微弧氧化膜均勻覆蓋在鋯合金包殼焊接樣品表面，能夠有效地提高鋯合金包 殼在高溫高壓環(huán)境中耐腐蝕能力，特別是防止焊縫被優(yōu)先腐蝕，從而延長鋯合金包殼的使 用年限，提高反應(yīng)堆運(yùn)行的安全性。
【附圖說明】
[0015] 圖1為未經(jīng)微弧氧化處理后的Zr-INb合金激光焊接接頭（MO)在500°C/10. 3MPa 高溫高壓環(huán)境中腐蝕80h后的截面圖。
[0016] 圖2為微弧氧化表面處理的Zr-INb合金焊接樣品（M2)在500°C/10. 3MPa高溫高 壓環(huán)境中腐蝕80h后的截面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017] 根據(jù)本發(fā)明所述的電解液體系，配制了幾種配方的電解液，并采用本發(fā)明所提供 的微弧氧化工藝條件，對(duì)核燃料棒包殼用Zr-INb合金激光焊接試樣進(jìn)行微弧氧化表面處 理。觀測微弧氧化膜層的厚度，并測量Zr-INb合金基體及微弧氧化膜的表面粗糙度，比較 微弧氧化處理前后Zr-INb合金激光焊接接頭及母相區(qū)在高溫高壓水蒸汽環(huán)境中耐腐蝕性 能。
[0018] 實(shí)施例1
[0019] 樣品為Zr-INb合金激光焊接試樣。
[0020] 預(yù)處理：將鋯合金激光焊接樣品，用80#-2000#砂紙逐級(jí)打磨后，放入丙酮中用超 聲波清洗除油。
[0021] 配置電解液：電解液由磷酸鈉、氫氧化鉀、甘油組成的水溶液，組成為2g/L磷酸 鈉、3g/L氫氧化