本發(fā)明專利技術(shù)涉及一種用于鋯或鋯合金表面微弧氧化膜制備的電解液、采用該電解液進(jìn)行鋯或鋯合金表面微弧氧化的方法以及電解液用于核燃料棒鋯合金包殼表面微弧氧化膜制備的用途，電解液為碳酸鈉、氫氧化鋰以及甘油的混合水溶液，其中，碳酸鈉的含量為5g/L~15g/L、氫氧化鋰的含量為2g/L~12g/L、甘油的含量為30ml/L~60ml/L。本發(fā)明專利技術(shù)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，使鋯合金包殼材料經(jīng)過微弧氧化處理后耐高溫高壓水腐蝕能力得到明顯提高。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及一種利用微弧氧化技術(shù)在核燃料棒包殼表面制備保護(hù)膜的電解液及工藝，屬于材料表面改性領(lǐng)域，主要適用于提高核燃料棒鋯合金包殼在高溫高壓水環(huán)境中的耐腐蝕性能。
技術(shù)介紹
鋯合金熱中子吸收截面小，具有良好的耐高溫水腐蝕性能和高溫力學(xué)性能，被廣泛用做核燃料棒的包殼材料和反應(yīng)堆堆芯的結(jié)構(gòu)元件。用作核燃料棒包殼時(shí)，鋯合金一方面要傳遞能量，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。包殼的外壁受到高溫高壓水的沖刷和腐蝕，以及中子輻照損傷及腐蝕吸氫,將導(dǎo)致包殼的綜合性能下降，包括力學(xué)性能、導(dǎo)熱性能等。目前，科研工作者正致力于提高燃料燃耗、降低燃料成本、提高反應(yīng)堆熱效率及其安全可靠性，對(duì)燃料棒包殼材料鋯合金的抗腐蝕性能、吸氫特性、力學(xué)性能和輻照尺寸穩(wěn)定性提出更高要求，其中提高其在高溫高壓環(huán)境中耐水側(cè)腐蝕性能是延長(zhǎng)包殼使用壽命的關(guān)鍵之一。表面處理是提高鋯合金包殼的耐高溫高壓水腐蝕性能的方法之一,表面處理技術(shù)包括高頻感應(yīng)氧化、激光表面合金化、離子注入、高壓釜預(yù)氧化、陽極氧化等。微弧氧化是一種有色金屬表面原位生長(zhǎng)陶瓷層的新技術(shù)，就是將相關(guān)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，具有良好的耐磨、耐腐蝕、耐高溫沖擊和電絕緣等特性。利用微弧氧化技術(shù)能夠在鋯合金表面形成耐磨損、耐腐蝕的氧化鋯陶瓷膜，微弧氧化技術(shù)關(guān)鍵在于根據(jù)工件的具體防護(hù)要求采用適宜 的電解液及氧化工藝。申請(qǐng)?zhí)枮?00810241636.X公開日為2010.06.23的專利文獻(xiàn)中，采用氟鋯酸鉀、氟硼酸鹽、鋅的水溶性羥酸鹽、堿金屬氫氧化物電解液和單極性電源，在鋯合金表面形成6 40 μ m厚的微弧氧化膜，在常壓和35°C的中性鹽霧試驗(yàn)條件下顯示較高的耐腐蝕性能。由于來自電解液的硼離子沉積在膜層中，使膜層具有較高的中子吸收截面，因此按照該專利獲得的微弧氧化膜不太適合核燃料棒包殼的表面防護(hù)。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，使微弧氧化表面處理的鋯合金包殼具有良好的耐高溫高壓水腐蝕性能，同時(shí)需要控制微弧氧化膜的厚度，以便膜層對(duì)包殼的傳熱特性沒有明顯的影響。目前尚缺乏一種適用于核燃料棒包殼保護(hù)膜制備的電解液及微弧氧化工藝。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)所要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種特別適用于核燃料棒包殼保護(hù)膜的制備的電解液。本專利技術(shù)同時(shí)還提供一種適于制備核燃料棒包殼保護(hù)膜的微弧氧化方法，該方法所制備的保護(hù)膜，能夠延長(zhǎng)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。為解決上述技術(shù)問題，本專利技術(shù)采用的一種技術(shù)方案是:一種用于鋯或鋯合金表面微弧氧化膜制備的電解液，其為碳酸鈉、氫氧化鋰以及甘油的混合水溶液，其中，碳酸鈉的含量為5g/L 15g/L、氫氧化鋰的含量為2g/L 12g/L、甘油的含量為30ml/L 60ml/L。根據(jù)本專利技術(shù)的一個(gè)優(yōu)選方面，電解液中碳酸鈉的含量為5g/L 10g/L，氫氧化鋰的含量為3g/L 8g/L、甘油的含量為30ml/L 50ml/L。更優(yōu)選地，電解液中碳酸鈉的含量為7g/L 10g/L，氫氧化鋰的含量為4g/L 5g/L、甘油的含量為30ml/L 50ml/L。在一個(gè)具體的實(shí)施方式中，電解液中碳酸鈉的含量為7g/L，氫氧化鋰的含量為4g/L、甘油的含量為50ml/L。本專利技術(shù)采取的又一技術(shù)方案是:一種鋯或鋯合金表面微弧氧化方法，其包括如下步驟:(I)、前處理；(2)、將經(jīng)前處理的鋯或鋯合金放入盛裝電解液的電解槽中，以鋯或鋯合金為陽極，以不銹鋼電解槽為陰極，采用微弧氧化設(shè)備對(duì)鋯或鋯合金進(jìn)行微弧氧化，直至鋯或鋯合金表面生成所需厚度的微弧氧化膜；(3)、封孔處理，特別是，步驟(2)中 ，所采用的電解液為本專利技術(shù)上述的電解液。優(yōu)選地，所述前處理包括對(duì)鋯或鋯合金表面所依次進(jìn)行的表面清洗處理、化學(xué)拋光處理及真空退火處理。根據(jù)一個(gè)具體方面:所述表面清洗處理方法為:用砂紙對(duì)鋯或鋯合金表面進(jìn)行打磨，去除表面的油污；所述化學(xué)拋光處理方法為:將打磨后的鋯或鋯合金放入拋光液中進(jìn)行表面的化學(xué)拋光，其中，所述的拋光液優(yōu)選由HNO3、HC1、H20按體積比4.5:4.5:1組成，在化學(xué)拋光完成后清洗表面，去除殘留于表面的酸液，干燥備用。進(jìn)一步地，砂紙可以是各種不同型號(hào)的SiC砂紙，優(yōu)選使用不同的規(guī)格的砂紙依次進(jìn)行打磨，例如依次用200#，400#，600#，800#的砂紙進(jìn)行打磨。優(yōu)選地，在打磨之后、進(jìn)行化學(xué)拋光處理前，還對(duì)試樣進(jìn)行機(jī)械拋光，拋光劑采用金剛砂?；瘜W(xué)拋光的時(shí)間可以為例如IOs ;化學(xué)拋光完成后的清洗可以用酒精加超聲清洗，最后，用去離子水多次清洗試樣的表面，去除殘留于表面的酸液，干燥備用。優(yōu)選地，所述真空退火處理的溫度為550 600°C，退火時(shí)間為I 3小時(shí)。例如退火溫度580°C，退火時(shí)間2小時(shí)。優(yōu)選地，步驟(2)中，采用雙極性微弧氧化電源進(jìn)行微弧氧化處理，正向電壓為200V 600V，負(fù)向電壓為OV 150V，微弧氧化處理時(shí)間為10 60min。根據(jù)本專利技術(shù)，步驟(3 )的封孔處理是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。封孔處理的方法可以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鋯合金3 lOmin，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。本專利技術(shù)優(yōu)選30 50°C的風(fēng)吹干。本專利技術(shù)的電解液適用于各種鋯合金的微弧氧化膜的制備，尤其適用于核燃料棒包殼常用的含鈮或錫的鋯合材料表面的微弧氧化膜的制備。為此，本專利技術(shù)還特別涉及上述的電解液用于核燃料棒錯(cuò)合金包殼表面微弧氧化膜制備的用途。此外，本專利技術(shù)的目的還在于提供一種核燃料棒鋯合金包殼，其表面具有微弧氧化膜層，特別是，該微弧氧化膜層通過上述的微弧氧化方法形成，所述的微弧氧化膜層的厚度為5 30 μ m，硬度為700HV 1000HV。由于上述技術(shù)方案的運(yùn)用，本專利技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)勢(shì):本專利技術(shù)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，使鋯合金包殼材料經(jīng)過微弧氧化處理后耐高溫高壓水腐蝕能力得到明顯提聞。在鋯合金微弧氧化膜的制備方法中，電解液為多種化合物的水溶液。該電解液具有良好的離子導(dǎo)電性和化學(xué)穩(wěn)定性；該電解液的溶質(zhì)來源廣泛，成本低。電解液離子進(jìn)入微弧氧化膜后不會(huì)對(duì)鋯合金包殼的中子吸收截面產(chǎn)生明顯影響。由于反應(yīng)堆冷卻水中需要加入少量氫氧化鋰，以維持冷卻水的酸堿平衡。本專利技術(shù)選擇的電解液以氫氧化鋰和碳酸鈉為主，不引入其它金屬離子，盡可能減少在微弧氧化膜里引入同包殼使用環(huán)境不同的元素。鋯合金表面微弧氧化工藝簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便且生產(chǎn)效率高。所生成的氧化鋯陶瓷膜與鋯合金基體結(jié)合強(qiáng)度高，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，延長(zhǎng)包殼材料的使用年限，提高反應(yīng)堆運(yùn)行的安全性。具體實(shí)施例方式根據(jù)本專利技術(shù)所述的電解液體系，配制了幾種配方的電解液，并采用本專利技術(shù)所提供的微弧氧化工藝條件， 對(duì)核燃料棒包殼用Zr-1Nb合金表面進(jìn)行微弧氧化膜制備本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種用于鋯或鋯合金表面微弧氧化膜制備的電解液，其特征在于：所述電解液為碳酸鈉、氫氧化鋰以及甘油的混合水溶液，其中，碳酸鈉的含量為5?g/L?~?15?g/L、氫氧化鋰的含量為2?g/L?~?12?g/L、甘油的含量為30?ml/L~?60?ml/L。
【技術(shù)特征摘要】
1.一種用于鋯或鋯合金表面微弧氧化膜制備的電解液，其特征在于:所述電解液為碳酸鈉、氫氧化鋰以及甘油的混合水溶液，其中，碳酸鈉的含量為5 g/L 15 g/L、氫氧化鋰的含量為2 g/L 12 g/L、甘油的含量為30 ml/L 60 ml/L。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于鋯或鋯合金表面微弧氧化膜制備的電解液，其特征在于:電解液中碳酸鈉的含量為5 g/L 10 g/L，氫氧化鋰的含量為3 g/L -8 g/L、甘油的含量為 30 ml/L 50 ml/L。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于鋯或鋯合金表面微弧氧化膜制備的電解液，其特征在于:電解液中碳酸鈉的含量為7g/L 10 g/L，氫氧化鋰的含量為4 g/L 5 g/L、甘油的含量為 30 ml/L 50 ml/L。4.一種鋯或鋯合金表面微弧氧化方法，其包括如下步驟: (1)、前處理； (2)、將經(jīng)前處理的鋯或鋯合金放入盛裝電解液的電解槽中，以鋯或鋯合金為陽極，以不銹鋼電解槽為陰極，采用微弧氧化設(shè)備對(duì)鋯或鋯合金進(jìn)行微弧氧化，直至鋯或鋯合金表面生成所需厚度的微弧氧化膜； (3)、封孔處理， 其特征在于:步驟(2)中，所采用的電解液為權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的電解液。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的鋯或鋯合金表面微弧氧化方法，...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：束國(guó)剛，王榮山，咸春宇，薛文斌，鄒志鋒，賈興娜，杜建成，翁立奎，劉彥章，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：蘇州熱工研究院有限公司，北京師范大學(xué)，中廣核工程有限公司，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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