一种反应堆下集流腔上栅板表面NiCr涂层的均匀化制备方法与流程

一种反应堆下集流腔上栅板表面nicr涂层的均匀化制备方法
技术领域
1.本发明属于核用不锈钢高温防护涂层技术领域，具体涉及一种反应堆下集流腔上栅板表面nicr涂层的均匀化制备方法。


背景技术：

2.随着航空航天事业的不断发展，大功率空间作业与轨道快速转移等多种空间任务对能源的需求提出了更高的要求。在空间电源方面，目前主要有化学电池、太阳能电池阵-蓄电池组联合电源和核电源3种。其中，化学电池具有结构简单、性能可靠的优点，但工作寿命短，低温性能差，且功率较小。太阳能电池阵-蓄电池组联合电源的技术成熟、性能可靠，兼具寿命长、供电能力强的特点，但太过依赖太阳光照，必须对日定向，因此，对发射窗口、轨道参数、飞行姿态等有严格的限制；同时太阳能电池阵的面积很大，对机动飞行和低轨道飞行带来较大阻力，需要携带大量燃料用于轨道维持，结构复杂，容易遭受空间碎片、陨石和来自外部的打击，导致系统性能下降或失效。核能具有不依靠氧气环境、不依赖太阳光照、能量密度高、可实现高温和超高温、使用寿期长等优点，这些优势使核能在空间探测领域、空间运载领域都有很好的应用前景。在空间应用上，空间核反应堆(以下简称空间堆)电源由于其能量密度大、无需光照、使用寿命长等优势，在大功率、长续航需求的空间任务中，核能凭借特有的优势能够替代传统的化学能和太阳能，成为目前太空电源的主要研究方向。
3.对于空间核反应堆而言，其堆芯结构的高温稳定性直接决定其安全性能和服役性能。核用奥氏体不锈钢材料具备优异的高温强度和韧性以及良好的加工成型性能，在原子能工业中得到了广泛的应用，可用作空间核反应堆的容器材料。然而，为了提高空间堆的能量利用效率，不锈钢堆芯容器的服役温度超过了650℃，逼近奥氏体不锈钢的高温长时服役极限，且由于堆芯冷却介质为he气与co2的混合气氛，服役过程中不锈钢容器中的堆芯容器部件不可避免发生氧化，这导致不锈钢的高温力学性能急剧下降，在高温氧化气氛下极易发生氧化开裂，从而导致反应堆的服役寿命显著缩短，甚至发生灾难性事故。
4.在空间反应堆核用不锈钢部件表面制备高温防护涂层，可以显著提高其高温抗氧化性能，延长其高温服役寿命。然而，空间反应堆由于体积和质量的限制，堆芯结构紧凑，导致反应堆容器下集流腔上栅板的形状非常复杂，内孔道众多，这使得在其表面制备厚度均匀的高质量涂层非常困难；而且，后续的焊接和装配过程会对涂层造成损伤，导致涂层在局部区域发生开裂、起皮和剥落，从而引发整个部件在高温氧化性气氛中失效。此外，下集流腔上栅板的尺寸较大，尤其是与堆芯容器筒体焊接后的尺寸更大，这使得在其表面制备均匀化的防氧化涂层非常困难。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种反应堆下集流腔上栅板表面nicr涂层的均匀化制备方法。该方法通过两步法依次在上栅板端面、与反
应堆筒体焊接后的空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板孔道的内表面制备nicr涂层，实现了nicr涂层的均匀化制备，有效避免了后续焊接、装配、机加过程对nicr涂层的损伤，且nicr涂层具有优良的高温抗氧化性能以及良好的抗冲击性能、韧性，提高了上栅板的服役寿命。
6.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种反应堆下集流腔上栅板表面nicr涂层的均匀化制备方法，其特征在于，采用电弧离子镀设备先在空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板的端面制备nicr涂层，然后在与反应堆筒体焊接后的空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板孔道的内表面制备nicr涂层，其中，端面处的nicr涂层的厚度为10μm～20μm，孔道处的nicr涂层的厚度为6μm～20μm，且nicr涂层的成分中均含有质量百分数为36％～44％的cr，其余为ni；所述不锈钢的牌号为321h或316h。
7.核用奥氏体不锈钢高温力学性能优异，在650℃左右仍具有较高的强度，且其室温加工性能好，自身ni、cr耐腐蚀性元素含量较高，在施加高温防护涂层后，能够作为高温结构材料长时间服役，被用于制作空间反应堆容器下集流腔上栅板。图1a为空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板的端面光学照片图，图1b为空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板的凸台面光学照片图，图2为带有焊接反应堆筒体的空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板的光学照片图。其中，空间反应堆容器下集流腔上栅板端面以及孔道内表面为氧化性冷却气体的接触面，在高温条件下易被氧化性冷却气体氧化，因此需在上栅板的端面和孔道内表面制备涂层。针对于上栅板形状复杂、内孔道众多、涂层制备困难，且后续焊接、机加和装配对内孔道涂层造成破坏的问题，本发明将涂层制备分为两步，采用电弧离子镀设备先在上栅板的端面制备端面nicr涂层，然后在与反应堆筒体焊接后的空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板孔道的内表面制备孔道nicr涂层，有效避免了与反应堆筒体焊接、装配、机加过程对nicr涂层的损伤，避免涂层的失效，保证了整体涂层的高温防护效果；通过采用电弧离子镀设备制备涂层，利用电弧离子镀具有良好的绕镀性，提高了nicr涂层的沉积效率，能够与不锈钢基体形成良好的界面结合，且易于通过调节电弧离子镀参数显著降低了nicr涂层中的孔隙率，提高了nicr涂层的抗氧化性能；同时，限定nicr涂层的成分(可简写为ni40cr)，使其在氧化性冷却气体中发生cr元素的选择性氧化而生成保护性的cr2o3保护膜，且涂层的元素组成均为核用不锈钢基体中添加的抗氧化耐蚀元素，与不锈钢基体具有良好的相容性，同时涂层中不含中子吸收元素，施加到上栅板表面不会影响反应堆的运行效率；该涂层的韧性良好，展现出了良好的抗氧化和抗剥落性能；另外，控制端面处的nicr涂层的厚度为10μm～20μm，确保了空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板的端面在设计服役寿命内不发生氧化失效，同时考虑到下集流腔上栅板的凸台与螺旋管(或安全棒外套管)焊接后孔道与管壁件形成的狭缝非常小且氧化性气氛不在狭缝内流动，孔道内表面的氧化介质浓度相对较低，氧化速率相对较慢，控制孔道处的nicr涂层的厚度为6μm～20μm，在保证其高温防护性能的前提下，不会对反应堆堆芯容器部件的装配造成影响且装配紧密。
8.上述的一种反应堆下集流腔上栅板表面nicr涂层的均匀化制备方法，其特征在于，所述端面处的nicr涂层的制备过程包括以下步骤：
9.步骤101、依次对空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板进行表面除油和清洗的预处理；
10.步骤102、对步骤101中经预处理后的空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板的表面
进行离子清洗；
11.步骤103、对步骤102中经离子清洗后的空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板的端面镀覆nicr涂层。
12.上述的一种反应堆下集流腔上栅板表面nicr涂层的均匀化制备方法，其特征在于，所述孔道处的nicr涂层的制备过程包括以下步骤：
13.步骤201、采用机械加工方法去除与反应堆筒体焊接后的不锈钢下集流腔上栅板孔道的内表面沉积的nicr涂层，然后依次对孔道的内表面进行表面除油和清洗的预处理；
14.步骤202、采用遮挡矫形工装对步骤201中经预处理后的带反应堆筒体的不锈钢下集流腔上栅板孔道进行遮挡，留出待镀膜的孔道并对孔道内表面进行离子清洗；
15.步骤203、在步骤202中经离子清洗后的带反应堆筒体的不锈钢下集流腔上栅板孔道的内表面镀覆nicr涂层。
16.由于空间反应堆不锈钢容器下集流腔上栅板形状复杂，相对于实验室条件下的试样片尺寸更大，尤其是与不锈钢筒体焊接后，如何在涂层制备过程中实现对不锈钢部件的完全覆盖并形成良好的界面结合是保障涂层高温防护性能的关键。本发明在制备端面处的nicr涂层和孔道处的nicr涂层的过程中，均先对对应的待加工工件进行除油和超声清洗，以去除机加过程中的油污、表面附着物，避免镀膜过程中因为界面污染影响涂层附着，同时，对待镀覆表面进行离子清洗以实现活化，显著增强了对应涂层与基体的界面结合。
17.上述的一种反应堆下集流腔上栅板表面nicr涂层的均匀化制备方法，其特征在于，步骤101和步骤201中所述表面除油的过程为：将对应待除油的工件完全浸入装有质量浓度5％～20％金属清洗剂溶液的不锈钢清洗槽中浸泡10min，然后超声波清洗10min，直至对应工件表面无油污、锈迹且呈现金属本色；步骤101和步骤201中所述清洗的过程为：采用去离子水对对应除油后的工件冲洗15s～30s，然后采用乙酸乙酯浸泡过的无尘布擦拭，自然干燥后对应工件表面无油迹或水迹。
18.本发明采用金属清洗剂超声清洗，充分去除了对应工件表面的油污以及附着物，随后采用去离子水冲洗去除残留的金属清洗剂，然后利用乙酸乙酯对水溶性和油脂类物质的溶解性能，通过擦拭进一步去除表面污染物，同时具有良好脱水能力的乙酸乙酯还除去了对应工件复杂部件结构中狭小缝隙中的水，避免了镀膜过程中因水分挥发对涂层质量造成不良影响。
19.上述的一种反应堆下集流腔上栅板表面nicr涂层的均匀化制备方法，其特征在于，步骤102和步骤202中所述离子清洗均在电弧离子镀设备中进行，且电弧离子镀设备的真空室内的温度为150℃～220℃；所述离子清洗的过程为：充入氩气且控制氩气流量为100sccm～200sccm，然后调节电弧离子镀设备的真空度为1
×
10-1
pa～9
×
10-1
pa，设定单极脉冲偏压电源的占空比为80％，负偏压为500v～1200v，再打开靶控制电源，调整靶电流对对应的工件进行离子清洗1min～15min。
20.本发明的离子清洗过程进一步去除对应工件表面的污染，有利于提升涂层与基体间的结合力；同时，针对与反应堆筒体焊接后的空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板因孔道存在导致变形过程中与焊接的反应堆筒体的膨胀/收缩不一致、上栅板极易发生热变形的问题，本发明根据与反应堆筒体焊接后的空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板的形位精度要求，通过控制离子清洗过程的工艺参数，尤其是控制真空室内的温度为150℃～220℃，
确保了在离子清洗对基体表面活化的同时，不会因功率过大造成上栅板与焊接的反应堆筒体发热引发部件热变形，有效保证了镀膜后上栅板的形位精度。
21.上述的一种反应堆下集流腔上栅板表面nicr涂层的均匀化制备方法，其特征在于，步骤103中所述镀覆nicr涂层的过程为：充入氩气且控制氩气流量为100sccm～200sccm，然后调节电弧离子镀设备的真空度为1
×
10-1
pa～9
×
10-1
pa，设定单极脉冲偏压电源的占空比为80％，负偏压为20v～80v，再控制并维持电弧靶电流为30a～120a进行沉积30min～120min镀覆nicr涂层，待冷却至60℃以下后向真空室内充入空气至大气状态，并取出。
22.本发明镀覆端面nicr涂层的过程中，通过控制工艺参数中的负偏压，增强了离子能量，提高了涂层与基体界面的结合力，并使得涂层具有较低的孔隙率，在高温条件下能有效阻止氧化性冷却剂向基体一侧的不良扩散，通过控制电弧靶电流，在控制工件表面温度和保证涂层质量的前提下，获得了较高的涂层沉积效率；同时，针对下集流腔上栅板形状复杂、尺寸较大、快速冷却易导致上栅板变形影响形位精度的问题，本发明在镀膜结束后冷却至60℃以下再充入空气取出工件，进一步保证了镀膜后上栅板的形位精度。
23.上述的一种反应堆下集流腔上栅板表面nicr涂层的均匀化制备方法，其特征在于，步骤202和步骤203中采用遮挡矫形工装进行离子清洗并镀覆nicr涂层的过程为：先采用遮挡矫形工装对带反应堆筒体的不锈钢下集流腔上栅板孔道的外圈孔进行遮挡，并对暴露的内圈孔的孔道内表面进行离子清洗，然后对离子清洗后的孔道内表面进行沉积1h～3h镀覆nicr涂层，再采用遮挡矫形工装对带反应堆筒体的不锈钢下集流腔上栅板孔道的内圈孔及部分外圈孔进行遮挡，并对暴露的外圈孔的孔道内表面进行离子清洗，然后对离子清洗后的孔道内表面进行沉积1h～3h镀覆nicr涂层，移动遮挡矫形工装改变对部分外圈孔的遮挡区域，继续对新暴露的外圈孔的孔道内表面依次进行离子清洗和镀覆nicr涂层，直至外圈孔全部镀覆nicr涂层，待冷却至60℃以下后向真空室内充入空气至大气状态，并取出；所述镀覆nicr涂层的工艺参数为：充入氩气且控制氩气流量为100sccm～200sccm，然后调节电弧离子镀设备的真空度为1
×
10-1
pa～9
×
10-1
pa，设定单极脉冲偏压电源的占空比为80％，负偏压为20v～100v，控制并维持电弧靶电流为30a～120a。
24.由于下集流腔上栅板与反应堆筒体焊接后尺寸很大，且反应堆筒体上部的圆筒筒壁对镀膜过程中的等离子体有“聚拢”效应以及遮挡效应，导致上栅板中心和边缘孔道的涂层沉积效率相差很远；而且，由于孔道深度(～10cm)相对于孔道半径而言较深，导致孔道自身对于等离子体存在遮挡效应，这会使得同一孔道在镀膜过程中出现“阴阳脸”。因此，本发明利用遮挡矫形工装进行遮挡，依次对中心区域的内圈孔孔道以及边缘区域的外圈孔孔道镀覆制备nicr涂层，有效解决了涂层沉积效率差和沉积效果不佳的问题，实现了孔道处的nicr涂层的均匀化制备。
25.上述的一种反应堆下集流腔上栅板表面nicr涂层的均匀化制备方法，其特征在于，以不锈钢下集流腔上栅板孔道的中心孔为第1圈孔计逐层向外，总计有5圈孔，先采用遮挡矫形工装对带反应堆筒体的不锈钢下集流腔上栅板孔道的第4～5圈孔进行遮挡，然后对第1～3圈孔的孔道进行离子清洗和镀覆nicr涂层，再采用遮挡矫形工装对带反应堆筒体的不锈钢下集流腔上栅板孔道的第1～3圈孔以及部分第4～5圈孔进行遮挡，然后对暴露的第4～5圈孔的孔道依次进行离子清洗和镀覆nicr涂层，移动遮挡矫形工装改变对部分第4～5
圈孔的遮挡区域，继续对新暴露的第4～5圈孔的孔道依次进行离子清洗和镀覆nicr涂层，共移动四次，直至第4～5圈孔全部镀覆nicr涂层。
26.上述的一种反应堆下集流腔上栅板表面nicr涂层的均匀化制备方法，其特征在于，所述制备nicr涂层后的空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板的端面平面度不大于0.6，凸台的平面度不大于0.8。
27.上栅板端面的平面度以及凸台的平面度直接影响后续安全棒外套管、螺旋管的装配与焊接，并影响冷却气体在流道内的流动，栅板的凸台和端面平面度发生显著变形将会直接导致带焊接筒体的部件达不到设计要求而直接报废。因此，本发明通过控制nicr涂层的制备，有效约束了上栅板在涂层制备过程中的形变，保证了nicr涂层的均匀沉积，使得上栅板的端面平面度和凸台的平面度均处于设计范围内，满足了使用要求。
28.上述的一种反应堆下集流腔上栅板表面nicr涂层的均匀化制备方法，其特征在于，所述nicr涂层在700℃的混合气氛中氧化1000h后表面氧化膜的厚度不大于2μm，其中，混合气氛包括体积含量45％～55％的co2，100ppm的h2，20000ppm的co，且h2与co的含量偏差为
±
0.1％，余量为he气，所述nicr涂层与不锈钢基体之间的结合力不低于50n，且以30℃/min以上的升温速率和冷却速率经室温—700℃—室温循环热冲击20次后，nicr涂层表面均无鼓泡、开裂、脱落现象。
29.本发明制备的不锈钢下集流腔上栅板表面nicr涂层包括端面处的nicr涂层、孔道处的nicr涂层均具有较低的内部孔隙率，且与基体具有良好的界面结合性能；同时，上栅板表面nicr涂层在模拟服役条件下的氧化膜厚度不大于2μm，氧化膜的生长规律符合抛物线氧化规律，满足了空间核反应堆3年的设计服役寿命，且具有良好的抗冲击性能以及韧性，保证了nicr涂层在后续装配过程以及服役过程中不会因为部件间的相互磕碰、摩擦以及循环启停发生开裂和剥落。
30.本发明与现有技术相比具有以下优点：
31.1、针对空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板形状复杂、尺寸大、孔道多，难以在其表面制备均匀的高质量防护涂层，导致其在高温服役环境下易被混合冷却气体氧化从而引发堆芯失效的问题，本发明采用两步法在上栅板表面制备nicr涂层，即第一步在上栅板端面处制备nicr涂层，第二步在与反应堆筒体焊接后的空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板孔道的内表面处制备nicr涂层，有效避免了后续焊接、装配、机加过程对nicr涂层的损伤，从而在上栅板的端面及孔道内表面制备厚度均匀、高质量的nicr涂层。
32.2、针对带焊接反应堆筒体的下集流腔上栅板尺寸大、形状复杂、孔道多且深的特点，以及反应堆筒体上部的圆筒筒壁对镀膜过程中的等离子体有“聚拢”效应和遮挡效应导致上栅板中心和边缘孔道的涂层沉积效率相差较大的问题，本发明采用遮挡矫形工装进行分区域镀膜，有效解决了涂层沉积效率差和沉积效果不佳的问题，实现了孔道处的nicr涂层的均匀化制备，同时有效约束了上栅板在nicr涂层制备过程中的形变。
33.3、针对带焊接反应堆筒体的下集流腔上栅板形状复杂、在涂层制备的升降温过程中因受反应堆筒体约束导致上栅板与反应堆筒体膨胀/收缩不一致、进而导致上栅板热变形的问题，本发明通过优化各涂层制备过程中离子清洗和镀膜的工艺参数，控制涂层制备工艺进而控制涂层沉积温度，减少了热作用对上栅板平面度的不良影响，使得上栅板的端面平面度和凸台的平面度均处于设计范围内，保障了后续工序中与安全棒外套管、螺旋管
的装配与焊接。
34.4、本发明制备的不锈钢下集流腔上栅板表面nicr防氧化涂层均具有较低的内部孔隙率，且与基体具有良好的界面结合性能；同时，具有优良的高温抗氧化性能以及良好的抗冲击性能、韧性，保证了涂层在后续装配过程以及服役过程中不会因为部件间的相互磕碰、摩擦以及循环启停发生开裂和剥落，进一步提高了上栅板的服役寿命。
35.下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
附图说明
36.图1a为本发明空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板的端面光学照片图。
37.图1b为本发明空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板的凸台面光学照片图。
38.图2为本发明带有焊接反应堆筒体的空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板的光学照片图。
39.图3为本发明遮挡矫形工装对外圈孔进行遮挡的示意图。
40.图4为本发明遮挡矫形工装对内圈孔及部分外圈孔进行遮挡的示意图。
41.图5为本发明实施例1中端面具有nicr涂层的空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板的光学照片图。
42.图6为本发明实施例1中空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板端面的nicr涂层的截面形貌图。
43.图7为本发明实施例1中孔道内具有nicr涂层的带焊接反应堆筒体的空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板的光学照片图。
44.图8为本发明实施例1中带焊接反应堆筒体的空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板孔道内的nicr涂层的截面形貌图。
45.图9为本发明实施例1中表面具有nicr涂层的空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板在700℃的混合气氛中氧化1000h后的截面形貌图。
46.图10为本发明实施例1中表面具有nicr防氧化涂层的空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板的nicr涂层与不锈钢基体之间的结合力测试曲线图。
47.图11为本发明实施例1中表面具有nicr防氧化涂层的空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板在室温—700℃—室温循环热冲击20次后的表面形貌图。
具体实施方式
48.实施例1
49.本实施例采用电弧离子镀设备先在空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板的端面制备nicr涂层，然后在与反应堆筒体焊接后的空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板孔道的内表面制备nicr涂层，所述不锈钢的牌号为321h；
50.其中，所述端面处的nicr涂层的制备过程包括以下步骤：
51.步骤101、依次对空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板进行表面除油和清洗的预处理，将空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板完全浸入装有质量浓度5％金属清洗剂溶液的不锈钢清洗槽中浸泡10min，然后超声波清洗10min，直至对应工件表面无油污、锈迹且呈现金属本色，再采用去离子水对对应除油后的工件冲洗15s两次，并采用乙酸乙酯浸泡过的
无尘布擦拭，自然干燥后对应工件表面无油迹或水迹
52.步骤102、对步骤101中经预处理后的空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板的表面进行离子清洗，离子清洗在电弧离子镀设备中进行，且电弧离子镀设备的真空室内的温度为150℃，充入氩气且控制氩气流量为100sccm，然后调节电弧离子镀设备的真空度为9
×
10-1
pa，设定单极脉冲偏压电源的占空比为80％，负偏压为1200v，再打开靶控制电源，调整靶电流对对应的工件进行离子清洗1min；
53.步骤103、对步骤102中经离子清洗后的空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板的端面镀覆nicr涂层，向电弧离子镀设备中充入氩气且控制氩气流量为100sccm，然后调节电弧离子镀设备的真空度为1
×
10-1
pa，设定单极脉冲偏压电源的占空比为80％，负偏压为20v，再控制并维持电弧靶电流为120a进行沉积120min镀覆nicr涂层，待冷却至60℃以下后向真空室内充入空气至大气状态，并取出；
54.所述孔道处的nicr涂层的制备过程包括以下步骤：
55.步骤201、采用机械加工方法去除与反应堆筒体焊接后的不锈钢下集流腔上栅板孔道的内表面沉积的nicr涂层，然后依次对孔道的内表面进行表面除油和清洗的预处理，将与反应堆筒体焊接后的不锈钢下集流腔上栅板完全浸入装有质量浓度20％金属清洗剂溶液的不锈钢清洗槽中浸泡10min，然后超声波清洗10min，直至对应工件表面无油污、锈迹且呈现金属本色，再采用去离子水对对应除油后的工件冲洗15s两次，然后采用乙酸乙酯浸泡过的无尘布擦拭，自然干燥后对应工件表面无油迹或水迹；
56.步骤202、以不锈钢下集流腔上栅板孔道的中心孔为第1圈孔计逐层向外，总计有5圈孔，采用遮挡矫形工装对带反应堆筒体的不锈钢下集流腔上栅板孔道的外圈孔即第4～5圈孔进行遮挡(如图3所示)，对暴露的内圈孔即第1～3圈孔的孔道内表面进行离子清洗，离子清洗在电弧离子镀设备中进行，且电弧离子镀设备的真空室内的温度为220℃，向电弧离子镀设备中充入氩气且控制氩气流量为200sccm，然后调节电弧离子镀设备的真空度为1
×
10-1
pa，设定单极脉冲偏压电源的占空比为80％，负偏压为500v，再打开靶控制电源，调整靶电流对对应的工件进行离子清洗15min；
57.步骤203、继续向电弧离子镀设备中充入氩气且控制氩气流量为100sccm，然后调节电弧离子镀设备的真空度为1
×
10-1
pa，设定单极脉冲偏压电源的占空比为80％，负偏压为20v，控制并维持电弧靶电流为30a，对暴露的内圈孔即第1～3圈孔的孔道进行沉积1h镀覆nicr涂层，待冷却至60℃以下后向真空室内充入空气至大气状态，并取出；
58.根据步骤202和步骤203中的离子清洗工艺和镀覆nicr涂层工艺，采用遮挡矫形工装对带反应堆筒体的不锈钢下集流腔上栅板孔道的第1～3圈孔以及部分第4～5圈孔进行遮挡，如图4中的(a)图所示，然后对暴露的第4～5圈孔的孔道依次进行离子清洗和镀覆nicr涂层，移动遮挡矫形工装改变对部分第4～5圈孔的遮挡区域，继续对新暴露的第4～5圈孔的孔道依次进行离子清洗和镀覆nicr涂层，如图4中的(b)～(e)图所示，共分5次完成，直至第4～5圈孔全部镀覆nicr涂层，图4的(a)～(e)图中波浪区域内的孔道代表暴露的外圈孔的孔道即待镀覆孔道；待冷却至60℃以下后向真空室内充入空气至大气状态，并取出。
59.图5为本实施例中端面具有nicr涂层的空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板的光学照片图，图6为本实施例中空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板端面的nicr涂层的截面形貌图，经检测，该端面处的nicr涂层的厚度为10μm；经eds检测，该端处的面nicr涂层的化
学成分中含有质量百分数为36％的cr，其余为ni。
60.图7为本实施例中孔道内具有nicr涂层的带焊接反应堆筒体的空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板的光学照片图，图8为本实施例中带焊接反应堆筒体的空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板孔道内的nicr涂层的截面形貌图，经检测，该孔道处的nicr涂层的厚度为6μm；经eds检测，该孔道处的nicr涂层的化学成分中含有质量百分数为44％的cr，其余为ni。
61.同时，经检测，制备端面处的nicr涂层后的空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板的端面平面度为0.6，凸台的平面度为0.8。
62.图9为本实施例中表面具有nicr涂层的空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板在700℃的混合气氛中氧化1000h后的截面形貌图，其中，混合气氛包括体积含量45％～55％的co2，100ppm的h2，20000ppm的co，且h2与co的含量偏差为
±
0.1％，余量为he气，从图9可知，nicr涂层在700℃的混合气氛中氧化1000h后表面氧化膜的厚度为0.79μm。
63.图10为本实施例中表面具有nicr防氧化涂层的空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板的nicr涂层与不锈钢基体之间的结合力测试曲线图，从图10可知，nicr涂层与不锈钢基体之间的结合力均不低于50n。
64.图11为本实施例中表面具有nicr防氧化涂层的空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板在室温—700℃—室温循环热冲击20次后的表面形貌图，其中，循环热冲击过程中的升温速率和冷却速率均在30℃/min以上，从图11可知，经室温—700℃—室温循环热冲击20次后，端面nicr涂层、孔道nicr涂层表面均无鼓泡、开裂、脱落现象。
65.实施例2
66.本实施例采用电弧离子镀设备先在空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板的端面制备nicr涂层，然后在与反应堆筒体焊接后的空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板孔道的内表面制备nicr涂层，所述不锈钢的牌号为321h；
67.其中，所述端面处的nicr涂层的制备过程包括以下步骤：
68.步骤101、依次对空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板进行表面除油和清洗的预处理，将空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板完全浸入装有质量浓度20％金属清洗剂溶液的不锈钢清洗槽中浸泡10min，然后超声波清洗10min，直至对应工件表面无油污、锈迹且呈现金属本色，再采用去离子水对对应除油后的工件冲洗15s两次，并采用乙酸乙酯浸泡过的无尘布擦拭，自然干燥后对应工件表面无油迹或水迹
69.步骤102、对步骤101中经预处理后的空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板的表面进行离子清洗，离子清洗在电弧离子镀设备中进行，且电弧离子镀设备的真空室内的温度为200℃，充入氩气且控制氩气流量为150sccm，然后调节电弧离子镀设备的真空度为7
×
10-1
pa，设定单极脉冲偏压电源的占空比为80％，负偏压为1000v，再打开靶控制电源，调整靶电流对对应的工件进行离子清洗5min；
70.步骤103、对步骤102中经离子清洗后的空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板的端面镀覆nicr涂层，向电弧离子镀设备中充入氩气且控制氩气流量为200sccm，然后调节电弧离子镀设备的真空度为9
×
10-1
pa，设定单极脉冲偏压电源的占空比为80％，负偏压为80v，再控制并维持电弧靶电流为30a进行沉积30min镀覆nicr涂层，待冷却至60℃以下后向真空室内充入空气至大气状态，并取出；
71.所述孔道处的nicr涂层的制备过程包括以下步骤：
72.步骤201、采用机械加工方法去除与反应堆筒体焊接后的不锈钢下集流腔上栅板孔道的内表面沉积的nicr涂层，然后依次对孔道的内表面进行表面除油和清洗的预处理，将与反应堆筒体焊接后的不锈钢下集流腔上栅板完全浸入装有质量浓度10％金属清洗剂溶液的不锈钢清洗槽中浸泡10min，然后超声波清洗10min，直至对应工件表面无油污、锈迹且呈现金属本色，再采用去离子水对对应除油后的工件冲洗20s两次，然后采用乙酸乙酯浸泡过的无尘布擦拭，自然干燥后对应工件表面无油迹或水迹；
73.步骤202、以不锈钢下集流腔上栅板孔道的中心孔为第1圈孔计逐层向外，总计有5圈孔，采用遮挡矫形工装对带反应堆筒体的不锈钢下集流腔上栅板孔道的外圈孔即第4～5圈孔进行遮挡(如图3所示)，对暴露的内圈孔即第1～3圈孔的孔道内表面进行离子清洗，离子清洗在电弧离子镀设备中进行，且电弧离子镀设备的真空室内的温度为180℃，向电弧离子镀设备中充入氩气且控制氩气流量为160sccm，然后调节电弧离子镀设备的真空度为2
×
10-1
pa，设定单极脉冲偏压电源的占空比为80％，负偏压为600v，再打开靶控制电源，调整靶电流对对应的工件进行离子清洗8min；
74.步骤203、继续向电弧离子镀设备中充入氩气且控制氩气流量为200sccm，然后调节电弧离子镀设备的真空度为9
×
10-1
pa，设定单极脉冲偏压电源的占空比为80％，负偏压为100v，控制并维持电弧靶电流为120a，对暴露的内圈孔即第1～3圈孔的孔道进行沉积3h镀覆nicr涂层，待冷却至60℃以下后向真空室内充入空气至大气状态，并取出；
75.根据步骤202和步骤203中的离子清洗工艺和镀覆nicr涂层工艺，采用遮挡矫形工装对带反应堆筒体的不锈钢下集流腔上栅板孔道的第1～3圈孔以及部分第4～5圈孔进行遮挡，如图4中的(a)图所示，然后对暴露的第4～5圈孔的孔道依次进行离子清洗和镀覆nicr涂层，移动遮挡矫形工装改变对部分第4～5圈孔的遮挡区域，继续对新暴露的第4～5圈孔的孔道依次进行离子清洗和镀覆nicr涂层，如图4中的(b)～(e)图所示，共分5次完成，直至第4～5圈孔全部镀覆nicr涂层，图4的(a)～(e)图中波浪区域内的孔道代表暴露的外圈孔的孔道即待镀覆孔道；待冷却至60℃以下后向真空室内充入空气至大气状态，并取出。
76.经检测，本实施例中空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板端面的nicr涂层的厚度为20μm；经eds检测，该端处的面nicr涂层的化学成分中含有质量百分数为40％的cr，其余为ni。
77.经检测，本实施例中带焊接反应堆筒体的空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板孔道内的nicr涂层的厚度为20μm；经eds检测，该孔道处的nicr涂层的化学成分中含有质量百分数为39％的cr，其余为ni。
78.同时，经检测，制备端面处的nicr涂层后的空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板的端面平面度为0.5，凸台的平面度为0.7。
79.本实施例中表面具有nicr涂层的空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板在700℃的混合气氛中氧化1000h后表面氧化膜的厚度为0.81μm，其中，混合气氛包括体积含量45％～55％的co2，100ppm的h2，20000ppm的co，且h2与co的含量偏差为
±
0.1％，余量为he气。
80.经检测，本实施例中表面具有nicr防氧化涂层的空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板的nicr涂层与不锈钢基体之间的结合力均不低于50n。
81.本实施例中表面具有nicr防氧化涂层的空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板在
室温—700℃—室温循环热冲击20次后端面nicr涂层、孔道nicr涂层表面均无鼓泡、开裂、脱落现象，其中，循环热冲击过程中的升温速率和冷却速率均在30℃/min以上。
82.实施例3
83.本实施例采用电弧离子镀设备先在空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板的端面制备nicr涂层，然后在与反应堆筒体焊接后的空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板孔道的内表面制备nicr涂层，所述不锈钢的牌号为316h；
84.其中，所述端面处的nicr涂层的制备过程包括以下步骤：
85.步骤101、依次对空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板进行表面除油和清洗的预处理，将空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板完全浸入装有质量浓度15％金属清洗剂溶液的不锈钢清洗槽中浸泡10min，然后超声波清洗10min，直至对应工件表面无油污、锈迹且呈现金属本色，再采用去离子水对对应除油后的工件冲洗10s两次，并采用乙酸乙酯浸泡过的无尘布擦拭，自然干燥后对应工件表面无油迹或水迹
86.步骤102、对步骤101中经预处理后的空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板的表面进行离子清洗，离子清洗在电弧离子镀设备中进行，且电弧离子镀设备的真空室内的温度为170℃，充入氩气且控制氩气流量为120sccm，然后调节电弧离子镀设备的真空度为5
×
10-1
pa，设定单极脉冲偏压电源的占空比为80％，负偏压为800v，再打开靶控制电源，调整靶电流对对应的工件进行离子清洗3min；
87.步骤103、对步骤102中经离子清洗后的空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板的端面镀覆nicr涂层，向电弧离子镀设备中充入氩气且控制氩气流量为150sccm，然后调节电弧离子镀设备的真空度为4
×
10-1
pa，设定单极脉冲偏压电源的占空比为80％，负偏压为50v，再控制并维持电弧靶电流为80a进行沉积60min镀覆nicr涂层，待冷却至60℃以下后向真空室内充入空气至大气状态，并取出；
88.所述孔道处的nicr涂层的制备过程包括以下步骤：
89.步骤201、采用机械加工方法去除与反应堆筒体焊接后的不锈钢下集流腔上栅板孔道的内表面沉积的nicr涂层，然后依次对孔道的内表面进行表面除油和清洗的预处理，将与反应堆筒体焊接后的不锈钢下集流腔上栅板完全浸入装有质量浓度18％金属清洗剂溶液的不锈钢清洗槽中浸泡10min，然后超声波清洗10min，直至对应工件表面无油污、锈迹且呈现金属本色，再采用去离子水对对应除油后的工件冲洗20s两次，然后采用乙酸乙酯浸泡过的无尘布擦拭，自然干燥后对应工件表面无油迹或水迹；
90.步骤202、以不锈钢下集流腔上栅板孔道的中心孔为第1圈孔计逐层向外，总计有5圈孔，采用遮挡矫形工装对带反应堆筒体的不锈钢下集流腔上栅板孔道的外圈孔即第4～5圈孔进行遮挡(如图3所示)，对暴露的内圈孔即第1～3圈孔的孔道内表面进行离子清洗，离子清洗在电弧离子镀设备中进行，且电弧离子镀设备的真空室内的温度为210℃，向电弧离子镀设备中充入氩气且控制氩气流量为180sccm，然后调节电弧离子镀设备的真空度为3
×
10-1
pa，设定单极脉冲偏压电源的占空比为80％，负偏压为500v，再打开靶控制电源，调整靶电流对对应的工件进行离子清洗2min；
91.步骤203、继续向电弧离子镀设备中充入氩气且控制氩气流量为150sccm，然后调节电弧离子镀设备的真空度为3
×
10-1
pa，设定单极脉冲偏压电源的占空比为80％，负偏压为80v，控制并维持电弧靶电流为70a，对暴露的内圈孔即第1～3圈孔的孔道进行沉积2h镀
覆nicr涂层，待冷却至60℃以下后向真空室内充入空气至大气状态，并取出；
92.根据步骤202和步骤203中的离子清洗工艺和镀覆nicr涂层工艺，采用遮挡矫形工装对带反应堆筒体的不锈钢下集流腔上栅板孔道的第1～3圈孔以及部分第4～5圈孔进行遮挡，如图4中的(a)图所示，然后对暴露的第4～5圈孔的孔道依次进行离子清洗和镀覆nicr涂层，移动遮挡矫形工装改变对部分第4～5圈孔的遮挡区域，继续对新暴露的第4～5圈孔的孔道依次进行离子清洗和镀覆nicr涂层，如图4中的(b)～(e)图所示，共分5次完成，直至第4～5圈孔全部镀覆nicr涂层，图4的(a)～(e)图中波浪区域内的孔道代表暴露的外圈孔的孔道即待镀覆孔道；待冷却至60℃以下后向真空室内充入空气至大气状态，并取出。
93.经检测，本实施例中空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板端面的nicr涂层的厚度为16μm；经eds检测，该端处的面nicr涂层的化学成分中含有质量百分数为38％的cr，其余为ni。
94.经检测，本实施例中带焊接反应堆筒体的空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板孔道内的nicr涂层的厚度为12μm；经eds检测，该孔道处的nicr涂层的化学成分中含有质量百分数为42％的cr，其余为ni。
95.同时，经检测，制备端面处的nicr涂层后的空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板的端面平面度为0.48，凸台的平面度为0.65。
96.本实施例中表面具有nicr涂层的空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板在700℃的混合气氛中氧化1000h后表面氧化膜的厚度为0.94μm，其中，混合气氛包括体积含量45％～55％的co2，100ppm的h2，20000ppm的co，且h2与co的含量偏差为
±
0.1％，余量为he气。
97.经检测，本实施例中表面具有nicr防氧化涂层的空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板的nicr涂层与不锈钢基体之间的结合力均不低于50n。
98.本实施例中表面具有nicr防氧化涂层的空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板在室温—700℃—室温循环热冲击20次后端面nicr涂层、孔道nicr涂层表面均无鼓泡、开裂、脱落现象，其中，循环热冲击过程中的升温速率和冷却速率均在30℃/min以上。
99.以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

技术特征：
1.一种反应堆下集流腔上栅板表面nicr涂层的均匀化制备方法，其特征在于，采用电弧离子镀设备先在空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板的端面制备nicr涂层，然后在与反应堆筒体焊接后的空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板孔道的内表面制备nicr涂层，其中，端面处的nicr涂层的厚度为10μm～20μm，孔道处的nicr涂层的厚度为6μm～20μm，且nicr涂层的成分中均含有质量百分数为36％～44％的cr，其余为ni；所述不锈钢的牌号为321h或316h。2.根据权利要求1所述的一种反应堆下集流腔上栅板表面nicr涂层的均匀化制备方法，其特征在于，所述端面处的nicr涂层的制备过程包括以下步骤：步骤101、依次对空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板进行表面除油和清洗的预处理；步骤102、对步骤101中经预处理后的空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板的表面进行离子清洗；步骤103、对步骤102中经离子清洗后的空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板的端面镀覆nicr涂层。3.根据权利要求1所述的一种反应堆下集流腔上栅板表面nicr涂层的均匀化制备方法，其特征在于，所述孔道处的nicr涂层的制备过程包括以下步骤：步骤201、采用机械加工方法去除与反应堆筒体焊接后的不锈钢下集流腔上栅板孔道的内表面沉积的nicr涂层，然后依次对孔道的内表面进行表面除油和清洗的预处理；步骤202、采用遮挡矫形工装对步骤201中经预处理后的带反应堆筒体的不锈钢下集流腔上栅板孔道进行遮挡，留出待镀膜的孔道并对孔道内表面进行离子清洗；步骤203、在步骤202中经离子清洗后的带反应堆筒体的不锈钢下集流腔上栅板孔道的内表面镀覆nicr涂层。4.根据权利要求2或3所述的一种反应堆下集流腔上栅板表面nicr涂层的均匀化制备方法，其特征在于，步骤101和步骤201中所述表面除油的过程为：将对应待除油的工件完全浸入装有质量浓度5％～20％金属清洗剂溶液的不锈钢清洗槽中浸泡10min，然后超声波清洗10min，直至对应工件表面无油污、锈迹且呈现金属本色；步骤101和步骤201中所述清洗的过程为：采用去离子水对对应除油后的工件冲洗15s～30s，然后采用乙酸乙酯浸泡过的无尘布擦拭，自然干燥后对应工件表面无油迹或水迹。5.根据权利要求2或3所述的一种反应堆下集流腔上栅板表面nicr涂层的均匀化制备方法，其特征在于，步骤102和步骤202中所述离子清洗均在电弧离子镀设备中进行，且电弧离子镀设备的真空室内的温度为150℃～220℃；所述离子清洗的过程为：充入氩气且控制氩气流量为100sccm～200sccm，然后调节电弧离子镀设备的真空度为1
×
10-1
pa～9
×
10-1
pa，设定单极脉冲偏压电源的占空比为80％，负偏压为500v～1200v，再打开靶控制电源，调整靶电流对对应的工件进行离子清洗1min～15min。6.根据权利要求2所述的一种反应堆下集流腔上栅板表面nicr涂层的均匀化制备方法，其特征在于，步骤103中所述镀覆nicr涂层的过程为：充入氩气且控制氩气流量为100sccm～200sccm，然后调节电弧离子镀设备的真空度为1
×
10-1
pa～9
×
10-1
pa，设定单极脉冲偏压电源的占空比为80％，负偏压为20v～80v，再控制并维持电弧靶电流为30a～120a进行沉积30min～120min镀覆nicr涂层，待冷却至60℃以下后向真空室内充入空气至大气状态，并取出。
7.根据权利要求3所述的一种反应堆下集流腔上栅板表面nicr涂层的均匀化制备方法，其特征在于，步骤202和步骤203中采用遮挡矫形工装进行离子清洗并镀覆nicr涂层的过程为：先采用遮挡矫形工装对带反应堆筒体的不锈钢下集流腔上栅板孔道的外圈孔进行遮挡，并对暴露的内圈孔的孔道内表面进行离子清洗，然后对离子清洗后的孔道内表面进行沉积1h～3h镀覆nicr涂层，再采用遮挡矫形工装对带反应堆筒体的不锈钢下集流腔上栅板孔道的内圈孔及部分外圈孔进行遮挡，并对暴露的外圈孔的孔道内表面进行离子清洗，然后对离子清洗后的孔道内表面进行沉积1h～3h镀覆nicr涂层，移动遮挡矫形工装改变对部分外圈孔的遮挡区域，继续对新暴露的外圈孔的孔道内表面依次进行离子清洗和镀覆nicr涂层，直至外圈孔全部镀覆nicr涂层，待冷却至60℃以下后向真空室内充入空气至大气状态，并取出；所述镀覆nicr涂层的工艺参数为：充入氩气且控制氩气流量为100sccm～200sccm，然后调节电弧离子镀设备的真空度为1
×
10-1
pa～9
×
10-1
pa，设定单极脉冲偏压电源的占空比为80％，负偏压为20v～100v，控制并维持电弧靶电流为30a～120a。8.根据权利要求7所述的一种反应堆下集流腔上栅板表面nicr涂层的均匀化制备方法，其特征在于，以不锈钢下集流腔上栅板孔道的中心孔为第1圈孔计逐层向外，总计有5圈孔，先采用遮挡矫形工装对带反应堆筒体的不锈钢下集流腔上栅板孔道的第4～5圈孔进行遮挡，然后对第1～3圈孔的孔道进行离子清洗和镀覆nicr涂层，再采用遮挡矫形工装对带反应堆筒体的不锈钢下集流腔上栅板孔道的第1～3圈孔以及部分第4～5圈孔进行遮挡，然后对暴露的第4～5圈孔的孔道依次进行离子清洗和镀覆nicr涂层，移动遮挡矫形工装改变对部分第4～5圈孔的遮挡区域，继续对新暴露的第4～5圈孔的孔道依次进行离子清洗和镀覆nicr涂层，共移动四次，直至第4～5圈孔全部镀覆nicr涂层。9.根据权利要求1所述的一种反应堆下集流腔上栅板表面nicr涂层的均匀化制备方法，其特征在于，所述制备nicr涂层后的空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板的端面平面度不大于0.6，凸台的平面度不大于0.8。10.根据权利要求1所述的一种反应堆下集流腔上栅板表面nicr涂层的均匀化制备方法，其特征在于，所述nicr涂层在700℃的混合气氛中氧化1000h后表面氧化膜的厚度不大于2μm，其中，混合气氛包括体积含量45％～55％的co2，100ppm的h2，20000ppm的co，且h2与co的含量偏差为
±
0.1％，余量为he气，所述nicr涂层与不锈钢基体之间的结合力不低于50n，且以30℃/min以上的升温速率和冷却速率经室温—700℃—室温循环热冲击20次后，nicr涂层表面均无鼓泡、开裂、脱落现象。

技术总结
本发明公开了一种反应堆下集流腔上栅板表面NiCr涂层的均匀化制备方法，采用电弧离子镀设备先在空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板的端面制备NiCr涂层，然后在与反应堆筒体焊接后的空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板孔道的内表面制备NiCr涂层。本发明通过两步法依次在上栅板端面、与反应堆筒体焊接后的空间核反应堆不锈钢下集流腔上栅板孔道的内表面制备NiCr涂层，实现了NiCr涂层的均匀化制备，有效避免了后续焊接、装配、机加过程对NiCr涂层的损伤，并约束了上栅板在NiCr涂层制备过程中的形变，该NiCr涂层具有优良的高温抗氧化性能以及良好的抗冲击性能、韧性，提高了上栅板的服役寿命。服役寿命。服役寿命。


技术研发人员：汪欣 王振宇 张长伟 杨涛 李晴宇
受保护的技术使用者：西北有色金属研究院
技术研发日：2021.12.08
技术公布日：2022/3/8