一种铅基反应堆泵叶轮用玻璃陶瓷涂层及其制备方法转让专利
申请号 : CN202110155439.1
文献号 : CN112876080B
文献日 : 2022-02-15
发明人 : 肖尊奇 , 姜志忠 , 罗林 , 黄群英 , 万毅 , 卫捷
申请人 : 中国科学院合肥物质科学研究院
摘要 :
权利要求 :
1.一种铅基反应堆泵叶轮用玻璃陶瓷涂层,其特征在于,所述涂层为三层梯度复合结构;其中,所述涂层的最内层由Li2O‑ZnO‑SiO2玻璃陶瓷构成;最外层由CaO‑MgO‑Al2O3‑SiO2玻璃陶瓷构成;中间层由Li2O‑ZnO‑SiO2玻璃陶瓷和CaO‑MgO‑Al2O3‑SiO2玻璃陶瓷复合构成,并且,其中的Li2O‑ZnO‑SiO2玻璃陶瓷质量比为40~60%;此外,按照质量百分比,所述Li2O‑ZnO‑SiO2玻璃陶瓷的原料组成为:Li2O 10~20%、ZnO 10~30%、SiO2 50~70%;所述CaO‑MgO‑Al2O3‑SiO2玻璃陶瓷的原料组成为:CaO 15%、MgO 20%、Al2O3 5%、SiO2 60%。
2.根据权利要求1所述的铅基反应堆泵叶轮用玻璃陶瓷涂层,其特征在于,所述涂层的制备方法如下:
S1、玻璃粉的制备
①根据各玻璃陶瓷组分,计算、称量基础玻璃的氧化物,然后将原料混合均匀后放入刚玉坩埚内;
②将载有原料的刚玉坩埚放入高温电阻炉中加热,在1400~1600℃保温1~3h,即得均匀的玻璃熔体;接着,将玻璃熔体倒入室温水浴中水淬,即可得到细碎的玻璃粒;
通过该方法分别获得Li2O‑ZnO‑SiO2和CaO‑MgO‑Al2O3‑SiO2玻璃粒;
S2、浆液的制备
①将步骤S1中得到的玻璃粒、磨球与无水乙醇一起放入球磨罐中进行球磨;球磨24~
48h后,干燥、过筛,即得玻璃粉;
通过该方法分别获得Li2O‑ZnO‑SiO2玻璃粉、CaO‑MgO‑Al2O3‑SiO2玻璃粉以及由上述两种玻璃粉构成的复合玻璃粉;其中,复合玻璃粉中Li2O‑ZnO‑SiO2玻璃粉的质量占比的40~
60%;
②将制备好的玻璃粉、有机粘结剂和溶剂放入球磨罐,湿法球磨1~3h,即得玻璃料浆;
通过该方法分别获得Li2O‑ZnO‑SiO2玻璃料浆、CaO‑MgO‑Al2O3‑SiO2玻璃料浆和复合玻璃料浆;
S3、样品的清洗及预处理
使用砂纸打磨不锈钢基体的表面,然后将打磨过的试样放入NaOH碱水溶液中清洗除污,接着再将上述碱清洗过的试样放入水中进行超声振荡清洗,最后将清洗过的试样放入烘箱中干燥12~24h;
S4、涂层的涂敷和烧结
将制备好的料浆通过刷涂或喷涂的方法涂敷在已经预处理好的不锈钢基体表面,并放入烘箱中干燥,后置于700~1000℃的马弗炉中烧结1~3h,即得玻璃陶瓷涂层;
采用上述方法,首先在不锈钢基体表面开展最内层涂层的涂敷和烧结,即Li2O‑ZnO‑SiO2玻璃陶瓷涂层的涂敷和烧结;然后,再在最内层涂层表面开展中间层涂层的涂敷和烧结,即Li2O‑ZnO‑SiO2和CaO‑MgO‑Al2O3‑SiO2复合玻璃陶瓷涂层的涂敷和烧结;最后,在中间层表面开展最外层涂层的涂敷和烧结,即CaO‑MgO‑Al2O3‑SiO2玻璃陶瓷的涂敷和烧结;
通过上述三次涂敷和烧结工艺,即可在不锈钢基体表面制备获得具备三层梯度复合结构的玻璃陶瓷涂层。
3.一种如权利要求1~2任一所述的铅基反应堆泵叶轮用玻璃陶瓷涂层的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
S1、玻璃粉的制备
①根据各玻璃陶瓷组分的设计,计算、称量基础玻璃的氧化物,然后将原料混合均匀后放入刚玉坩埚内;
②将载有原料的刚玉坩埚放入高温电阻炉中加热,在1400~1600℃保温1~3h,即得均匀的玻璃熔体;接着,将玻璃熔体倒入室温水浴中水淬,即可得到细碎的玻璃粒;
通过该方法分别获得Li2O‑ZnO‑SiO2和CaO‑MgO‑Al2O3‑SiO2玻璃粒;
S2、浆液的制备
①将步骤S1中得到的玻璃粒、磨球与无水乙醇一起放入球磨罐中进行球磨;球磨24~
48h后,干燥、过筛,即得玻璃粉;
通过该方法分别获得Li2O‑ZnO‑SiO2玻璃粉、CaO‑MgO‑Al2O3‑SiO2玻璃粉以及由上述两种玻璃粉构成的复合玻璃粉;其中,复合玻璃粉中Li2O‑ZnO‑SiO2玻璃粉的质量占比的40~
60%;
②将制备好的玻璃粉、有机粘结剂和溶剂放入球磨罐,湿法球磨1~3h,即得玻璃料浆;
通过该方法分别获得Li2O‑ZnO‑SiO2玻璃料浆、CaO‑MgO‑Al2O3‑SiO2玻璃料浆和复合玻璃料浆;
S3、样品的清洗及预处理
使用砂纸打磨不锈钢基体的表面,然后将打磨过的试样放入NaOH碱水溶液中清洗除污,接着再将上述碱清洗过的试样放入水中进行超声振荡清洗,最后将清洗过的试样放入烘箱中干燥12~24h;
S4、涂层的涂敷和烧结
将制备好的料浆通过刷涂或喷涂的方法涂敷在已经预处理好的不锈钢基体表面,并放入烘箱中干燥,后置于700~1000℃的马弗炉中烧结1~3h,即得玻璃陶瓷涂层;
采用上述方法,首先在不锈钢基体表面开展最内层涂层的涂敷和烧结,即Li2O‑ZnO‑SiO2玻璃陶瓷涂层的涂敷和烧结;然后,再在最内层涂层表面开展中间层涂层的涂敷和烧结,即Li2O‑ZnO‑SiO2和CaO‑MgO‑Al2O3‑SiO2复合玻璃陶瓷涂层的涂敷和烧结;最后,在中间层表面开展最外层涂层的涂敷和烧结,即CaO‑MgO‑Al2O3‑SiO2玻璃陶瓷的涂敷和烧结;
通过上述三次涂敷和烧结工艺,即可在不锈钢基体表面制备获得具备三层梯度复合结构的玻璃陶瓷涂层。
4.根据权利要求3所述的铅基反应堆泵叶轮用玻璃陶瓷涂层的制备方法,其特征在于,所述步骤S2的步骤①中,玻璃粒与磨球的质量比为1:3,玻璃粒与无水乙醇质量相同;球磨后,干燥、过200目筛,得玻璃粉。
5.根据权利要求3所述的铅基反应堆泵叶轮用玻璃陶瓷涂层的制备方法,其特征在于,所述步骤S2的步骤②中,有机粘结剂选择甲基纤维素,溶剂选择蒸馏水;湿法球磨时,玻璃粉、甲基纤维素和蒸馏水以质量比0.75:0.75:1混合。
6.根据权利要求3所述的铅基反应堆泵叶轮用玻璃陶瓷涂层的制备方法,其特征在于,所述步骤S3中,采用400~800目砂纸对不锈钢基体表面进行打磨。
7.根据权利要求3所述的铅基反应堆泵叶轮用玻璃陶瓷涂层的制备方法,其特征在于,所述步骤S3中,采用砂纸对不锈钢基体的表面进行打磨,然后将打磨过的试样放入温度60℃的NaOH碱水溶液中清洗除污,接着再将上述碱清洗过的试样放入40℃的水中进行超声振荡清洗,最后将清洗过的试样放入100℃的烘箱中干燥12~24h后备用。
8.根据权利要求3所述的铅基反应堆泵叶轮用玻璃陶瓷涂层的制备方法,其特征在于,所述步骤S3中,不锈钢基体具体采用316L不锈钢基体。
9.根据权利要求3所述的铅基反应堆泵叶轮用玻璃陶瓷涂层的制备方法,其特征在于,所述步骤S4中,涂敷和烧结中涂层总厚为150~450μm,单层涂层厚度为50~150μm。
说明书 :
一种铅基反应堆泵叶轮用玻璃陶瓷涂层及其制备方法
技术领域
背景技术
国际上核技术发达国家提出了一系列新概念反应堆设计和核燃料循环方案,其中以液态铅
合金(包括铅和铅铋合金)作为冷却剂的铅冷快堆作为第四代核能系统主要堆型之一。因其
具有良好的核废料嬗变和核燃料增殖能力,以及较高的安全性和经济性,且易小型化,越来
越受到国际核能领域的重视,未来将有广阔的发展空间。
构设计和长期的稳定与安全运行。和堆内其他构件相比,核主泵服役条件更为苛刻,泵叶轮
表面除易受到铅合金的化学腐蚀之外,泵叶轮处高流速铅合金带来的机械冲刷力还将造成
泵叶轮表面的摩擦和磨损。根据相关文献报道,在铅基反应堆参考堆型的设计条件下,以
316L奥氏体不锈钢为代表的泵叶轮材料将因为高温、高流速铅合金的冲刷腐蚀而失去作
用。
发明内容
铅合金冲刷腐蚀性能优异的CaO‑MgO‑Al2O3‑SiO2玻璃陶瓷构成;中间层由所述Li2O‑ZnO‑
SiO2玻璃陶瓷和CaO‑MgO‑Al2O3‑SiO2玻璃陶瓷复合构成,并且,其中的Li2O‑ZnO‑SiO2玻璃陶
瓷质量比为40~60%。
瓷的原料组成为:CaO 5~15%、MgO 10~20%、Al2O35~15%、SiO2 40~60%。
40~60%;
入烘箱中干燥12~24h;
和烧结,即Li2O‑ZnO‑SiO2和CaO‑MgO‑Al2O3‑SiO2复合玻璃陶瓷涂层的涂敷和烧结;最后,在
中间层表面开展最外层涂层的涂敷和烧结,即CaO‑MgO‑Al2O3‑SiO2玻璃陶瓷的涂敷和烧结;
40~60%;
入烘箱中干燥12~24h;
和烧结,即Li2O‑ZnO‑SiO2和CaO‑MgO‑Al2O3‑SiO2复合玻璃陶瓷涂层的涂敷和烧结;最后,在
中间层表面开展最外层涂层的涂敷和烧结,即CaO‑MgO‑Al2O3‑SiO2玻璃陶瓷的涂敷和烧结;
热保温温度为1400~1500℃,而制备CaO‑MgO‑Al2O3‑SiO2玻璃熔体的加热保温温度为1500
~1600℃。
合。
洗过的试样放入40℃的水中进行超声振荡清洗,最后将清洗过的试样放入100℃的烘箱中
干燥12~24h后备用。
抗铅合金冲刷腐蚀性能;而在靠近金属基体的内层由热膨胀系数和金属基体匹配的Li2O‑
ZnO‑SiO2玻璃陶瓷构成,中间层由上述两种玻璃陶瓷复合构成。本发明通过玻璃陶瓷涂层
的梯度设计,可以缓解涂层与金属基体之间的热应力,增加涂层与基体的匹配程度,从而缓
解涂层在使用过程中的开裂和剥落问题。同时,本发明的涂层制备工艺简单易行,能够快速
在铅基反应堆泵叶轮材料上制备涂层,适宜工业化生产。
具体实施方式
例。
的最外层由抗铅合金冲刷腐蚀性能优异的CaO‑MgO‑Al2O3‑SiO2玻璃陶瓷构成。涂层的中间
层由Li2O‑ZnO‑SiO2玻璃陶瓷和CaO‑MgO‑Al2O3‑SiO2玻璃陶瓷复合构成。
料组成为(wt%):CaO 15%、MgO 20%、Al2O3 5%、SiO2 60%;然后将上述氧化物原料混合
均匀后放入刚玉坩埚,再在高温电阻炉中加热保温2h即可得到均匀的玻璃熔体,其中制备
Li2O‑ZnO‑SiO2玻璃熔体的加热保温温度为1450℃,而制备CaO‑MgO‑Al2O3‑SiO2玻璃熔体的
加热保温温度为1600℃;最后将上述玻璃熔体迅速倒入室温水浴中水淬,即可得到细碎的
玻璃粒。
即可得到玻璃粉;再将制备好的玻璃粉、甲基纤维素和蒸馏水以质量比0.75:0.75:1放入球
磨罐,湿法球磨2h即可得到玻璃料浆。
质量比为1:1。
水中超声振荡清洗,最后将清洗过的试样放入100℃的烘箱中干燥20h备用。
种玻璃浆料依次涂敷、干燥、烧结,即可在316L不锈钢基体表面制备获得梯度复合结构的玻
璃陶瓷涂层。涂层共分三层,其中,最内层为Li2O‑ZnO‑SiO2玻璃陶瓷涂层,涂层的烧结温度
为750℃;最外层由CaO‑MgO‑Al2O3‑SiO2玻璃陶瓷构成,涂层的烧结温度为900℃;中间层由
Li2O‑ZnO‑SiO2玻璃陶瓷和CaO‑MgO‑Al2O3‑SiO2玻璃陶瓷复合构成,其中Li2O‑ZnO‑SiO2玻璃
陶瓷的质量比例为50%,涂层的烧结温度为820℃。所制备的梯度复合结构的涂层总厚为
300μm,单层涂层的厚度为100μm。
料组成为(wt%):CaO 15%、MgO 20%、Al2O3 5%、SiO2 60%;然后将上述氧化物原料混合
均匀后放入刚玉坩埚,再在高温电阻炉中加热保温2h即可得到均匀的玻璃熔体,其中制备
Li2O‑ZnO‑SiO2玻璃熔体的加热保温温度为1450℃,而制备CaO‑MgO‑Al2O3‑SiO2玻璃熔体的
加热保温温度为1600℃;最后将上述玻璃熔体迅速倒入室温水浴中水淬,即可得到细碎的
玻璃粒。
即可得到玻璃粉;再将制备好的玻璃粉、甲基纤维素和蒸馏水以质量比0.75:0.75:1放入球
磨罐,湿法球磨2h即可得到玻璃料浆。
质量比为2:3。
水中超声振荡清洗,最后将清洗过的试样放入100℃的烘箱中干燥18h备用。
种玻璃浆料依次涂敷、干燥、烧结,即可在316L不锈钢基体表面制备获得梯度复合结构的玻
璃陶瓷涂层。涂层共分三层,其中,最内层为Li2O‑ZnO‑SiO2玻璃陶瓷涂层,涂层的烧结温度
为750℃;最外层由CaO‑MgO‑Al2O3‑SiO2玻璃陶瓷构成,涂层的烧结温度为900℃;中间层由
Li2O‑ZnO‑SiO2玻璃陶瓷和CaO‑MgO‑Al2O3‑SiO2玻璃陶瓷复合构成,其中Li2O‑ZnO‑SiO2玻璃
陶瓷的质量比例为40%,涂层的烧结温度为850℃。所制备的梯度复合结构的涂层总厚为
300μm,单层涂层的厚度为100μm。
料组成为(wt%):CaO 15%、MgO 20%、Al2O3 5%、SiO2 60%;然后将上述氧化物原料混合
均匀后放入刚玉坩埚,再在高温电阻炉中加热保温1h即可得到均匀的玻璃熔体,其中制备
Li2O‑ZnO‑SiO2玻璃熔体的加热保温温度为1400℃,而制备CaO‑MgO‑Al2O3‑SiO2玻璃熔体的
加热保温温度为1500℃;最后将上述玻璃熔体迅速倒入室温水浴中水淬即可得到细碎的玻
璃粒。
即可得到玻璃粉;再将制备好的玻璃粉、甲基纤维素和蒸馏水以质量比0.75:0.75:1放入球
磨罐,湿法球磨1h即可得到玻璃料浆。
质量比为2:3。
水中超声振荡清洗,最后将清洗过的试样放入100℃的烘箱中干燥20h备用。
种玻璃浆料依次涂敷、干燥、烧结,即可在316L不锈钢基体表面制备获得梯度复合结构的玻
璃陶瓷涂层。涂层共分三层,其中,最内层为Li2O‑ZnO‑SiO2玻璃陶瓷涂层,涂层的烧结温度
为750℃;最外层由CaO‑MgO‑Al2O3‑SiO2玻璃陶瓷构成,涂层的烧结温度为900℃;中间层由
Li2O‑ZnO‑SiO2玻璃陶瓷和CaO‑MgO‑Al2O3‑SiO2玻璃陶瓷复合构成,其中Li2O‑ZnO‑SiO2玻璃
陶瓷的质量比例为40%,涂层的烧结温度为700℃。所制备的梯度复合结构的涂层总厚为
150μm,单层涂层的厚度为50μm。
料组成为(wt%):CaO 15%、MgO 20%、Al2O3 5%、SiO2 60%;然后将上述氧化物原料混合
均匀后放入刚玉坩埚,再在高温电阻炉中加热保温3h即可得到均匀的玻璃熔体,其中制备
Li2O‑ZnO‑SiO2玻璃熔体的加热保温温度为1500℃,而制备CaO‑MgO‑Al2O3‑SiO2玻璃熔体的
加热保温温度为1600℃;最后将上述玻璃熔体迅速倒入室温水浴中水淬即可得到细碎的玻
璃粒。
即可得到玻璃粉;再将制备好的玻璃粉、有机粘结剂(甲基纤维素)和溶剂(蒸馏水)以质量
比0.75:0.75:1放入球磨罐,湿法球磨3h即可得到玻璃料浆。
质量比为3:2。
水中超声振荡清洗,最后将清洗过的试样放入100℃的烘箱中干燥24h备用。
种玻璃浆料依次涂敷、干燥、烧结,即可在316L不锈钢基体表面制备获得梯度复合结构的玻
璃陶瓷涂层。涂层共分三层,其中,最内层为Li2O‑ZnO‑SiO2玻璃陶瓷涂层,涂层的烧结温度
为750℃;最外层由CaO‑MgO‑Al2O3‑SiO2玻璃陶瓷构成,涂层的烧结温度为900℃;中间层由
Li2O‑ZnO‑SiO2玻璃陶瓷和CaO‑MgO‑Al2O3‑SiO2玻璃陶瓷复合构成,其中Li2O‑ZnO‑SiO2玻璃
陶瓷的质量比例为60%,涂层的烧结温度为1000℃。所制备的梯度复合结构的涂层总厚为
450μm,单层涂层的厚度为150μm。
料组成为(wt%):CaO 15%、MgO 20%、Al2O3 5%、SiO2 60%;然后将上述氧化物原料混合
均匀后放入刚玉坩埚,再在高温电阻炉中加热保温2h即可得到均匀的玻璃熔体,其中制备
Li2O‑ZnO‑SiO2玻璃熔体的加热保温温度为1450℃,而制备CaO‑MgO‑Al2O3‑SiO2玻璃熔体的
加热保温温度为1600℃;最后将上述玻璃熔体迅速倒入室温水浴中水淬即可得到细碎的玻
璃粒。
即可得到玻璃粉;再将制备好的玻璃粉、甲基纤维素和蒸馏水以质量比0.75:0.75:1放入球
磨罐,湿法球磨2h即可得到玻璃料浆。
质量比为1:1。
水中超声振荡清洗,最后将清洗过的试样放入100℃的烘箱中干燥备用。
种玻璃浆料依次涂敷、干燥、烧结,即可在316L不锈钢基体表面制备获得梯度复合结构的玻
璃陶瓷涂层。涂层共分三层,其中,最内层为Li2O‑ZnO‑SiO2玻璃陶瓷涂层,涂层的烧结温度
为750℃;最外层由CaO‑MgO‑Al2O3‑SiO2玻璃陶瓷构成,涂层的烧结温度为900℃;中间层由
Li2O‑ZnO‑SiO2玻璃陶瓷和CaO‑MgO‑Al2O3‑SiO2玻璃陶瓷复合构成,其中Li2O‑ZnO‑SiO2玻璃
陶瓷的质量比例为50%,涂层的烧结温度为820℃。所制备的梯度复合结构的涂层总厚为
450μm,单层涂层的厚度为150μm。
限温度各保温10秒计为1次热冲击。测试结果如表1所示。结果显示,梯度复合结构玻璃陶瓷
涂层样品的热冲击寿命均超过200次,相比于单一的CaO‑MgO‑Al2O3‑SiO2玻璃陶瓷涂层的热
冲击寿命(不足50次)有明显提高。说明通过玻璃陶瓷涂层的梯度设计,可以有效缓解抗液
态金属冲刷涂层与金属基体之间的热应力,提高涂层的抗热震性能。
结果如表1所示。结果显示,涂敷有玻璃陶瓷涂层的316L试样的腐蚀失质量相比于无涂层试
2
样的失重(153.2g/m)显著降低,说明玻璃陶瓷涂层可有效提高316L试样的抗铅铋冲刷腐
蚀性能。