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铀表面鎏锌防护层制备技术研究

沈崇雨  
【摘要】:铀是重要的核材料,具有极强的化学活性,易受环境气氛的腐蚀,不仅会造成材料的变质,而且对环境造成污染,增大辐射防护压力。给金属铀施以保护涂层是阻止金属铀腐蚀的有效措施之一,涂层的抗腐性能受涂层材料和涂层致密度的影响,不同涂层制备方法和工艺是影响涂层致密度的主要因素。目前的涂层制备方法各具特点,又各有不足,为此,提出一种新的在铀表面制备涂层的方法:采用金属与汞制备汞齐,将汞齐涂布于金属铀表面并进行加热,使汞齐分解并将汞蒸发,由此在金属铀表面制备一定厚度的金属镀层,主要开展了锌涂层的制备工艺、结构和抗腐蚀性能研究。 采用第一原理模拟计算研究了在铀上鎏镀锌涂层的机理,同时获得了锌涂层在铀表面的理论结合机理,锌以金属键方式与铀结合,Zn-U原子间距与U2Zn17中的Zn-U原子间距极为接近,为涂层制备工艺的改善提供了有效的判据。XRD分析结果证明,铀扩散至锌涂层中,形成U2Zn17金属间化合物,说明使用汞齐在铀表面鎏镀锌涂层时,铀汞齐与锌汞齐在加热分解时发生共结晶反应生成U2Zn17金属间化合物,从而在较低的温度下使锌、铀发生冶金结合。 以Au和Sn作为参比,选择Zn、Au和Sn制备汞齐,在金属铀上开展了鎏镀锌涂层的工艺研究。对于熔点低的Sn,当温度达到锡的熔点附近(230℃)时,涂层与基体之间的结合紧密,涂层本身较致密;由于Zn易升华,提高制备温度不能制备结合良好的涂层,涂层本身的致密性较差;对于高熔点金属Au,涂层优先在表面形成,从而阻挡了下层汞的蒸发,即使提高温度也不能改善涂层与基体的结合情况,只能通过减少单次制备涂层的厚度,采用多次制备的方法实现较厚涂层的制备。涂层制备温度是影响涂层性能的决定性因素,通过实验,初步确定了不同金属涂层在铀表面的鎏镀工艺。 大气环境下,在表面氧化的金属铀表面鎏镀了锌涂层。实验证明,铀表面氧化物在制备过程中弥散于锌涂层之内,从而减弱了其对涂层与基体的结合性能的影响。 采用热重腐蚀考核了铀表面鎏镀锌涂层在150℃、含40%O2的Ar中的抗腐蚀性能,锌涂层能够对铀基体起到良好的抗腐蚀功能,锌涂层的抗腐蚀行为是通过在其表面形成致密的ZnO保护膜体现的,在空气中,由于水蒸气和二氧化碳的存在,易在涂层表面生成ZnCO3, ZnCO3的生成并不会降低涂层的抗腐蚀性能。 采用激光拉曼光谱研究了铀表面锌涂层的抗腐蚀机理,实验选用铀扩散至锌涂层表面的样品,通过改变入射激光强度,在70%RH的空气中,对铀表面锌涂层的抗腐蚀性能进行了研究,实验证明锌优先于铀腐蚀,说明锌涂层对铀起到阳极保护的作用。


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