《Surface and Coatings Technology》：Cold spray additive manufacturing of aluminum-based protective coatings for spent fuel transport and storage containers
编辑推荐：
本研究采用高压力冷喷涂技术制备铝基复合涂层，作为核废料储存运输容器不锈钢衬里的经济替代方案。通过系统评估沉积参数和粉末成分对涂层微观结构、力学性能及性能的影响，结果表明涂层具有致密的腐蚀产物层，能有效隔离腐蚀介质，并增强涂层密度、耐磨性和结合强度（最高73.5 MPa）。高分辨透射电镜分析揭示了涂层与基体之间的协同机械和冶金结合机制。该研究凸显了CSAM技术在核应用中的潜力，未来计划在模拟工况下验证。
田凯洲|杨天业|袁伟|李永奇|周佳杰|马静|赵妮|齐福刚|欧阳小平
湘潭大学材料科学与工程学院，中国湘潭，411105
摘要
在核能应用中，用于储存和运输乏燃料的球墨铸铁容器通常依赖昂贵且技术复杂的不锈钢内衬来隔离内表面与容器内容物。本研究利用高压冷喷涂增材制造（CSAM）技术在球墨铸铁基材上开发了铝基复合涂层，作为一种经济有效的替代方案。系统评估了沉积参数（气体压力和温度）和粉末成分（Al-Al?O?）对复合涂层微观结构、机械性能和性能的影响。结果表明，这些涂层通过形成致密稳定的腐蚀产物有效防止了腐蚀介质的侵入。氧化铝颗粒的加入提高了涂层的密度、耐磨性和粘结强度（最高可达73.5 MPa）。高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）分析显示，涂层与基材之间存在机械和冶金结合的协同效应。本研究突显了CSAM技术在轻量化、耐久性核应用中的潜力，未来计划在模拟使用条件下进行验证。
引言
随着核能行业的快速发展，安全运输和长期储存核电站产生的乏燃料（SNF）已成为该行业的一个关键问题[1]，[2]。乏燃料具有高放射性、半衰期长以及持续释放衰变热的特点[3]；例如，压水反应堆（PWR）产生的乏燃料的半衰期可长达数万年[4]。许多国家正在积极寻求有效的乏燃料处置策略，特别是由于后处理过程中的技术挑战和所需的大量资源，使得这一问题日益紧迫[5]，[6]。一种国际公认的安全处置方法是将乏燃料装入密封且干燥的容器中，从核电站运输到深层地质储存库进行临时或永久储存[7]，[8]。用于此过程的运输和储存容器必须满足许多严格的要求，包括辐射屏蔽、关键的安全控制以及高温耐腐蚀性[9]，[10]，[11]，[12]。
目前，国际上用于乏燃料运输和储存的容器主要采用金属基材料（如球墨铸铁或不锈钢）并结合保护性内衬[13]。储存容器通常设计为圆柱形腔体，可容纳内容物容器或燃料组装篮，圆柱体与内容物直接接触。当圆柱体由非耐腐蚀合金制成时，必须施加内部涂层或使用不锈钢内衬，以物理隔离圆柱体与装载的内容物，防止铁素体污染，并提高圆柱体的耐腐蚀性[14]，[15]。然而，不锈钢内衬的设计、制造和焊接受到严格的要求。研究表明，基于金属的涂层是提高乏燃料储存和运输容器安全性的可行选择。与传统工艺（如热喷涂）相比，冷喷涂制备的保护涂层具有快速制备、高粘结强度和低孔隙率等显著优势[16]，[17]，[18]，[19]。近年来，铝基保护涂层因其轻质、高导热性和优异的耐腐蚀性而成为一项重要的技术进步[20]。先前的研究证明了铝基材料适用于核能应用，包括乏燃料的储存和运输。值得注意的是，Eagle Picher制造的铝-硼合金中子吸收剂已在美国的McGuire和Surry等核电站得到有效应用[21]，[22]，[23]，[24]。
冷喷涂增材制造（CSAM）通过将粉末颗粒加速至300至1200毫米/秒的速度，利用超音速气固两相流来实现铝基涂层的沉积[25]，[26]，[27]，[28]，[29]，[30]。该过程依靠颗粒的塑性变形实现高效的涂层沉积，具有多个优点，包括低温成膜、热影响区最小化以及粘结强度提高。此外，研究表明，在铝基涂层中加入陶瓷颗粒（如Al?O?和SiC）可以形成陶瓷复合材料结构，显著增强涂层的耐磨性、抗辐射膨胀性和导热性[31]，[32]，[33]，[34]。目前，核能领域中的冷喷涂技术研究相对较少，主要集中在中子吸收等方面[24]。设计和制备能够在极端条件下（如储存容器内的磨损和乏燃料运输及储存过程中的腐蚀介质）承受考验的铝基涂层仍面临挑战。因此，本研究旨在为未来冷喷涂技术在核能行业的应用提供重要参考[35]，[36]。
关于将冷喷涂技术应用于乏燃料球墨铸铁容器表面的研究仍然有限。Hwasung Yeom等人证明，在乏燃料干式储存容器的不锈钢罐体上沉积不锈钢涂层是一种可行的方法，可以减轻应力引起的腐蚀开裂[37]。Lijia Zhao等人研究了能够吸收中子和伽马射线的乏燃料储存容器表面复合涂层，并比较了B?C/Al和W/B?C/Al涂层的性能[38]。Bruno Guerreiro等人研究了铜基涂层在碳钢表面上的性能，用于乏燃料容器[39]。上述方法均未完全满足集成乏燃料储存和运输容器的耐磨性和耐腐蚀性要求。本研究提出利用CSAM技术制备适用于乏燃料容器运行环境的铝基复合保护涂层。该方法实现了高密度、强界面粘结和全面的耐磨/耐腐蚀性能，展示了CSAM技术在轻量化、长寿命实际应用中的巨大潜力。
实验材料
在本实验中，使用了来自河南源洋粉末科技有限公司的球形高纯度铝粉，粒径为20微米，采用氮气雾化技术制备，纯度≥99.90%。实验中使用的氧化铝粉为不规则粉末，粒径为42微米，来自河北金彩胜特金属材料有限公司，纯度≥99.95%。扫描电子显微镜图像显示...
关键喷涂参数对涂层性能的影响
在冷喷涂过程中，温度和压力是两个最重要的变量。本实验中，喷涂层数为2层，控制压力和温度分别作为独立变量进行变化。压力选为2 MPa、2.5 MPa和3 MPa，温度选为250°C、350°C和450°C，以探讨这两个关键喷涂参数对涂层性能的影响。
结论
本研究采用高压冷喷涂增材制造技术制备了一批用于乏燃料运输和储存容器的铝和氧化铝复合涂层。这是对核能领域应用冷喷涂技术的一次探索和尝试。未来将对储存和运输容器的内壁进行进一步的工作条件性能测试。从本研究中可以得出以下结论：
(1)对于
作者贡献声明
田凯洲：撰写 – 原始草稿、方法论、调查、概念化。杨天业：可视化、数据管理。袁伟：可视化、验证。李永奇：方法论、数据管理。周佳杰：方法论、调查。马静：监督、项目管理、正式分析。赵妮：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源协调。齐福刚：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源协调。欧阳小平：监督、资金筹集。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（12275231、12027813、52271117）和湖南省教育厅（23A0111）科学研究基金的支持。作者感谢广东省吉华实验室的功能涂层与再制造技术研究组在样品制备方面提供的帮助。
