锆合金因具有优异的耐腐蚀性能、较小的中子吸收截面以及良好的机械性能，被广泛用作核反应堆堆芯结构材料，尤其是燃料元件的包壳材料。

然而，在极端复杂工况下，锆合金包壳仍面临着巨大挑战。2011年，日本福岛核电站失水事故（LOCA）暴露出锆合金包壳在抵抗失水事故性能方面存在不足。该事故中由于核反应堆冷却水流动中断，导致锆与高温水蒸气剧烈反应产生大规模氢爆炸及放射性UO2。自此，事故容错燃料（ATF）包壳得到了广泛关注及大规模研发。

目前，ATF的研发思路主要有两种：① 研发代替锆合金的新型包壳材料；② 在现有锆合金包壳上制备先进涂层，通过涂层隔离锆基体和高温水蒸气，使其具有优异的抗高温氧化性能及耐腐蚀性能等。

相比于开发新型包壳材料，涂层法无需改变燃料元件结构设计和包壳的化学环境，即可解决现有锆合金包壳在事故工况下的腐蚀、高温氧化等问题，具有显著的经济性，且最有可能在短期内实现工程化应用。

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涂层制备技术

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物理气相沉积技术

物理气相沉积（PVD）是用物理方法使镀膜材料气化，在基体表面沉积成膜的方法，包括电弧离子镀（AIP）、磁控溅射（MS）等。

PVD技术因其沉积均匀性好、薄膜致密度高、结合力强以及可规模化生产等优点，在涂层制备领域得到了广泛应用，且所制备涂层的残余应力一般为压应力，能够防止涂层中裂纹的形成与扩展。

法国法马通公司采用PVD技术在包壳上制备涂层，完成了全尺寸涂层管原型机的研制与搭建，并成功制备出全尺寸涂层管材。

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冷喷涂技术

冷喷涂是采用高速气流将固态颗粒加速沉积在基体表面，加速动能驱使颗粒与被涂覆基体碰撞发生剧烈塑性变形而形成涂层。

作为一种近净成形技术，冷喷涂具有沉积温度低、速率快等优点，利用高速动能代替传统热喷涂所必需的热能，可极大减小热量对涂层与基体的影响，具有广阔的应用前景。

针对冷喷涂技术存在的喷涂表面粗糙度大、喷涂不均匀等问题，研究人员开展了大量工艺优化研究。

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激光熔覆技术

激光熔覆技术以激光为热源，将填充材料和基材表面一起熔凝，从而在基材表面形成冶金结合的熔覆层。

在现代激光技术发展基础上，激光熔覆已成为锆合金涂层制备中便于实现工程化应用的一种技术，具有涂层结构致密、界面结合力强和沉积效率高等特点，但也存在热影响区大以及易导致锆基体热变形的不利影响，后续研究应致力于控制激光熔覆过程中锆基体的热变形程度，同时采用梯度熔覆和热处理等方法降低涂层热应力。

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新兴复合技术

ATF包壳涂层的新兴复合技术正朝着多层化、多材料体系与智能设计的方向发展，主要包括：

① 多层/梯度复合技术（如磁控溅射+电弧离子镀），即通过交替沉积不同材料（如Cr/CrN）构建界面扩散屏障，有效释放热应力并抑制元素互扩散；

② 高熵合金涂层，即利用多主元协同效应，通过磁控共溅射技术制备非晶/纳米晶结构，在高温下形成多种致密氧化物，从而实现协同防护；

③ 冷喷涂与后处理复合，即通过固态沉积避免相变，再结合激光重熔或退火，从而消除孔隙，增强结合力；

④ 微弧氧化（MAO）与HiPIMS复合，即在锆合金表面原位生长陶瓷中间层后沉积致密金属涂层（如Cr涂层），兼顾强结合力与抗高温水蒸气氧化性能。

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涂层材料

ATF锆合金包壳涂层材料的选取需满足优异的耐事故容错性能，具有良好的抗水蒸气氧化和抗热冲击性能。目前，涂层材料的研究主要聚焦于MAX相、Cr系和FeCrAl合金等。

美国的研究主要集中在MAX相和陶瓷涂层。2020年，比利时Doel核电厂4号机组装载了美国西屋公司EnCore型ATF，项目第二阶段重点研究SiC涂层的包壳。

法国和韩国主要集中于Cr系涂层研究。据报道，法马通公司研发的增强型事故容错燃料（EATF）是全球首个以超过60 GWd/tU燃耗率运行的标准尺寸燃料棒，并于2024年在瑞士葛斯根核电厂完成4个12个月运行周期，性能表现优异。

我国ATF锆合金包壳涂层材料研究起步虽然较晚，但近年来在MAX相、Cr系和FeCrAl合金等涂层材料的研究上也取得了大量成果。

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MAX相涂层

MAX相是一种具有良好可加工性的陶瓷材料，其硬度高，耐腐蚀性能、抗中子辐照及抗高温氧化性能好。目前，锆合金领域常见的MAX涂层材料有Ti₂AlC、Ti₃SiC₂、Cr₂AlC等。

研究表明，MAX相涂层在1000 ℃以下具有良好的抗高温氧化性能，可对锆合金基体起到良好的防护作用。但在1000 ℃以上高温环境中，Ti₂AlC和Ti₃SiC₂等MAX相涂层在氧化过程中会与基体发生严重的界面扩散现象，从而形成Zr-Al、(Zr, Ti)Si、Zr-Si等金属化合物，降低锆合金基体与涂层的结合强度，导致涂层出现开裂、破损等现象，最终影响涂层的抗高温氧化性能。

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Cr系涂层

金属Cr在固态下不会发生相变，与锆具有相近的热膨胀系数，在服役过程中能很好地协调变形，且在高温氧化环境中能形成致密的保护性氧化膜，被认为是极具工程化应用前景的涂层材料。目前，常见的Cr系涂层有纯Cr、CrAl、CrAlX合金。

Cr系涂层在抗高温氧化性能、耐腐蚀性能和结合性能方面展现出较大优势，是目前最具发展潜力的锆合金涂层，但随着对事故工况下涂层性能的更高要求，通过成分结构设计和工艺优化减缓Al向基体扩散以及减少挥发性CrO₃等产物的生成，进一步提高Cr系涂层的抗高温氧化性应是未来的研究重点。

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FeCrAl涂层

FeCrAl涂层是由Fe-Cr和Fe-Cr-Ni合金发展起来的新型涂层，在其氧化过程中，表面会生成致密的Cr₂O₃和Al₂O₃，因其具有较高的热导率和抗高温氧化性能而被作为涂层候选材料。

现有研究表明，通过增加中间层可以提高FeCrAl涂层的高温氧化性能，但多层结构涂层-界面-基体的扩散与氧化行为较复杂，目前的研究尚不完善。

另外，从经济性角度出发，应尽可能降低FeCrAl涂层厚度，这对FeCrAl涂层的制备提出了更高的要求。

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结 语

涂层可以改善锆合金包壳的耐腐蚀性能，提升燃料包壳的安全稳定性与使用寿命，被国际主要核能国家视为核燃料领域的重大变革，相关国家均已开展ATF的研发与布局。然而，涂层的材料筛选、制备工艺优化与性能测试过程复杂，后续研究应重点关注以下方面：

1.

目前对事故工况下涂层的失效原因尚未形成统一认识，需进一步深入探究涂层的腐蚀与高温氧化机理，通过改善涂层的失效时间，以获得能在更长LOCA周期内满足防护要求的涂层。

2.

加强涂层工程化应用装备与相关技术的研发，为早日实现全尺寸ATF包壳的制备积累数据基础。

3.

结合我国自主研发的“华龙一号”和“国核一号”等第三代先进核电技术的发展与应用需求，未来应深入开展国产新型锆合金包壳管涂层制备工艺与性能的优化研究，系统探索涂层与新型锆合金之间的界面元素扩散行为及其高温氧化特性，以推动我国自主化新型燃料系统的实现。

4.

目前涂层性能评价主要依靠堆外模拟环境开展，而实际反应堆中的燃料包壳需承受中子辐照作用。因此，还需系统开展包壳涂层在堆内的腐蚀、吸氢、氧化及辐照稳定性研究，为ATF包壳的工程化应用提供关键支撑。

作者：孙涛涛，张伟，丁郁航，刘琼，周宣，李宇力

来源：钛工业进展