本发明涉及管状元件的金属化领域。更具体地，本发明涉及一种基于陶瓷(即，由陶瓷或陶瓷基复合材料组成)的管的内表面的金属化(术语“金属化”在本文中意指联结金属层)方法，这个方法尤其可以获得管的内表面与和这个内表面相联结的金属层之间的内聚力。首先，本发明在核工业中发现了用于包覆核燃料的应用，更具体地，发现用于轻水反应堆(例如，压水反应堆(或pwr)和沸水反应堆(或bwr))的e-atf(增强型耐事故燃料)核燃料，以及用于包覆其他类型的核燃料的应用(一旦这种包覆符合多层管状设计，层基于陶瓷，该层的内表面与金属层相联结)。此外，本发明涉及一种实施金属化方法的管状核燃料包层的制造方法。然而，根据本发明的金属化方法也可以在其他工业领域中实现，例如，在旨在容纳高附加值产品(例如，液体或固体氢、推进剂型固体燃料等)的管状罐的制造中实现，并且更一般地，在管状元件的制造中，该管状元件旨在包括基于陶瓷的层，该层的内表面与金属层(例如，衬里)相联结。
背景技术：
1、在2011年福岛第一核电站事故之后，已经启动了许多国家和国际研究计划，以设计和开发新型核燃料元件构思，称为e-atf，其在事故情况下比当前的核燃料元件更强大。
2、这些研究方案特别涉及创新的核燃料包层解决方案，了解到包层材料的预期特性特别是(但不仅仅是)能够保证在任何情况下(正常、事故或意外)裂变材料和裂变产物的容纳的密封性以及在所有情况下将核反应产生的热量向传热流体排出的能力。
3、目前正在研究的包层解决方案之一是基于碳化硅复合材料基和纤维材料(更简单地称为sicf/sic)的使用。这些材料实际上是非常有吸引力的，特别是由于它们在高达非常高的温度(即甚至高于1600℃)下在空气中的抗氧化性、机械强度和的尺寸稳定性方面的卓越性能，这表明在事故情况下，可以显著地增加聚变时的安全裕度，从而增加保护反应堆堆芯的响应时间。
4、然而，尽管具有这种吸引力，但由于仍然需要消除大量的技术障碍，因此，许多年不曾期望将sicf/sic陶瓷包层燃料元件集成在反应堆中。这些障碍之一涉及在所有情况下以及在其整个寿命期间陶瓷对于传热流体以及对于裂变材料和裂变产物不能保持密封性或者至少不能表现出这种性质。
5、此外，为了防止这种密封性损失，已经设想了两种多层包层设计，其中由sicf/sic复合材料制成的层能够确保包层在事故条件下的坚固性，并且与由单一sic或金属制成的层相联结，旨在保证在任何情况下对裂变材料的容纳和对裂变产物的密封性。
6、在“全陶瓷”包层的情况下，密封性功能所基于的单一sic层通常与由sicf/sic复合材料制成的层同时通过气相法或通过烧结粉末原位制备。虽然这种设计导致了有利于热传递的材料的连续性，但实验表明，一旦陶瓷达到其屈服强度(其为使用或意外负载的0.1％的量级)，由此获得的包层是易碎的并且由于微裂纹而失去其密封性。
7、出于这个原因，发明人所属的原子能和替代能源委员会(cea)决定优先考虑“复合材料/金属”混合包层，其显示变形水平大于1％，并且具有密封保持性。
8、在制造这种包层的过程中，所实施的方法适合将两个层(分别为sicf/sic复合材料层和金属层)相联结，以导致这些层之间的内聚力，这种内聚力保证最佳的热传递。实际上，从文献中可以知道缺乏内聚力的负面影响(请参阅l.duquesne,caractérisationthermique de structures composites sic/sic tubulaires pour applications nucléaires.génie des procédés.nationale supérieure d’arts et métiers-ensam,2015，以下称参考文献[1])。
9、目前，在没有证明替代方案的情况下，cea用于生产“复合材料/金属”e-atf包层的参考实验方法是具有滑动公差的“推”配合方法，其中金属层位于sicf/sic复合材料层的内表面上。该方法旨在在轴向力的作用下将两个先前制备的单元管状部件与调整后的径向间隙(<50μm)相联结(未公开数据)。
10、用cvi(化学气相渗透)型气体工艺将纤维预制件以数百小时直接渗透到金属基底上的方法是不合适的。实际上，这些渗透条件使用在加热至1000℃的炉中用作载气的由二氢携带的氯化前体，适用于难熔金属(诸如，钽或铌)，这些难熔金属能够用于制造为了用水以外的传热流体运行的反应堆(例如，氦冷却快中子反应堆)而设计的燃料包层，但在目前保留用于制造“复合材料/金属”的e-atf包层并且为了轻水核反应堆设计的金属材料(如，锆合金和钛)情况下是不可接受的。
11、最后，很快就放弃了一种加氢重整联合方法，该方法由以下步骤组成：在环境温度下在加压流体(通常是水-油乳液)的作用下使金属管塑性变形，以将其镀覆在sicf/sic复合材料管的内表面上。
12、实际上，除了该方法伴随着金属或金属合金的不可避免的弹性回复与两层之间的内聚力的建立相反的事实之外，它还需要非常高的压力条件，该压力条件易于不可逆地损坏复合材料层。
13、鉴于上述情况，发明人将自己的目的设定为提供一种方法，该方法使得可以对基于陶瓷的管的内表面特别是由用于生产“复合材料/金属”e-atf包层的sicf/sic型复合材料制成的管的内表面进行金属化，通常，没有迄今为止提出的用于将金属层与基于陶瓷的管的内表面相联结的方法所表现出的所有缺点。
技术实现思路
1、本发明的目的正是提供这样一种方法。
2、因此，本发明首先涉及一种由陶瓷或陶瓷基复合材料制成的管的内表面的金属化方法，该方法至少包括以下步骤：在陶瓷或陶瓷基复合材料管的内表面上镀覆金属管，其特征在于，该镀覆包括通过向该管施加内部压力和加热而使金属管蠕变，该蠕变导致金属管的外径增加，直到该管的外表面镀覆在陶瓷或陶瓷基复合材料管的内表面上。
3、在上文和下文中，“金属管”表示由金属或金属合金组成的管，而“陶瓷基复合材料”表示由用纤维增强物增强的陶瓷组成的材料，该增强物任选地特别是本身由陶瓷纤维组成。
4、此外，我们记得蠕变对应于材料在施加到其上持续足够的时间以获得变形的恒定应力作用下的不可逆变形。
5、因此，在本发明的方法中，蠕变使得金属管能够不可逆地沿着径向变形，直到其外面镀覆在陶瓷或陶瓷基复合材料管的内表面上，使得形成金属管的金属或金属合金的任何弹性回复是不可能的。因此获得了特征在于金属层与陶瓷或陶瓷基复合材料层之间的内聚力的双层结构，且额外具有最佳热传递。
6、如上所述，金属管的蠕变诱导镀覆包括对该管施加内部压力和加热。
7、优选地，内部压力通过该管的等静增压均匀地施加到金属管，即在所有方向上相等，使得金属管的蠕变在该管的所有点处相同。
8、通常，这种等静增压是通过气体的吸入来进行的，该气体优选地例如氦气或氩气的惰性气体，以防止与形成金属管的金属或金属合金发生反应或相互作用的任何风险，但是根据该金属或该金属合金的性质以及金属化后获得的管状结构的目的，其他气体也可以是合适的。
9、关于金属管的加热，这有利地通过焦耳效应来进行，该种效应可选地通过在金属管中循环电流来感应，这使得能够快速加热金属管并精确控制金属管达到的温度；或通过经由与金属管直接耦合的电磁感应来感应。
10、还可以对金属管进行预增压，然后在炉中加热由该管和陶瓷或陶瓷基复合材料管形成的整体，然后将金属管在其两端封闭。
11、优选地，施加到金属管以获得其蠕变的压力和温度条件以及这些条件的施加时间将以这样的方式选择，即它们使得可以使该管充分地沿着径向变形，从而其外表面镀覆在陶瓷或陶瓷基复合材料的内表面上，并因此确保两个表面之间的内聚力，但:
12、一方面，在不改变形成金属管的金属或金属合金的晶体结构和晶体织构的情况下(因此，过高的温度可能导致金属或金属合金的晶粒增大)，以及
13、另一方面，在不损坏陶瓷或陶瓷基复合材料管的情况下，这意味着由施加到金属管的压力水平引起的径向应力必须不超过陶瓷或陶瓷基复合材料的损坏阈值，该阈值基本上对应于陶瓷或陶瓷基复合材料的屈服强度。
14、因此，这些条件将根据形成金属管的金属或金属合金的特性以及形成陶瓷或陶瓷基复合材料管的陶瓷或复合材料的特性来选择，而且还根据这些管的几何形状来选择，特别是，根据金属管的壁厚以及空间或径向间隙来选择，该空间或径向间隙最初存在于金属管的外表面与陶瓷或陶瓷基复合材料管的内表面之间并且将通过镀覆填充。
15、在这方面，规定要施加到金属管上的温度和压力条件以及这些条件的施加时间可以在理论上通过诸如由t.forgeron等人描述的蠕变定律来确定(“loca条件下先进燃料棒包层行为的实验和建模：α-β相变动力学和edgar方法”(experiment and modelling ofadvanced fuel rod cladding behavior under loca conditions:alpha-beta phasetransformation kinetics and edgar methodology)，核工业中的锆：第十二届国际研讨会(zirconium in the nuclear industry:twelfth international symposium),astmstp,2000,1354,256-278；以下称参考文献[2])，然后进行验证，或者，如果需要，通过蠕变台在代表待联结的两个管的测试试样上进行蠕变测试来进行实验方面的改进。
16、在本发明的范围内，金属管优选由锆、钛或其合金制成，然而优选是锆合金。
17、如果金属管由锆合金制成，则该管所达到的温度有利地在0.25tf与0.5tf之间，并且优选地在0.4tf与0.5tf之间，tf是形成该管的锆合金的绝对熔点。此外，如前所述，适当地选择施加到锆合金管的压力，使得由该压力引起的径向应力足以使该管沿着径向变形，同时低于陶瓷或陶瓷基复合材料的屈服强度。
18、这种锆合金的实例可以是zircaloy-4，zirlotm或m5tm合金，这些合金对于将本发明的金属化方法应用于旨在用于轻水核反应堆的核燃料的包层具有许多优点，例如，即使在高温条件下也非常低的热中子吸收、令人满意的机械性能以及非常好的耐腐蚀性。
19、然而，可以设想，规定金属管可以由不同于以上引用的那些的金属或金属合金制成，例如，钢、镍基合金、铁-铬-铝型合金、由几种等摩尔比例的金属元素组成的高熵合金以及更一般地能够通过蠕变变形的任何金属或金属合金，从热化学角度来看，这些金属或金属合金与必须在其内表面上镀覆金属管的管的陶瓷相容。
20、根据本发明，陶瓷或陶瓷基复合材料管优选地是由sic构成的管(如果其由陶瓷制成)或由用陶瓷纤维增强的sic制成的管(如果其由陶瓷基复合材料制成)，这些陶瓷纤维任选地特别是碳纤维，sic纤维或氧化物纤维，特别优选sic纤维。
21、可以使用的sic纤维的实例特别是由ngs advanced fibers株式会社生产的nicalontm、hi-nicalontm和hi-nicalontms型纤维或由宇部兴产株式会社(ube industries,ltd.)生产的tyrannotm、tyrannotmsa、tyrannotmsa3或tyrannotmsa4纤维。
22、其中，特别优选的hi-nicalontms型、tyrannotmsa3和tyrannotmsa4纤维，由于其纯度、结晶度和准化学计量组成(si/c比≈1)而在中子辐照中具有非常特殊的稳定性。
23、此外，如本身已知的，增强物的纤维可以涂覆有界面材料，有利地是热解碳，其主要作用是确保在机械应力下的适应性载荷转移，并防止超过sic基的弹性范围的突然破裂。
24、根据本发明，该方法有利地还包括在镀覆步骤之前将金属管插入陶瓷或陶瓷基复合材料管中。例如，这种插入可以通过简单地将金属管滑入陶瓷或陶瓷基复合材料管中来进行。不言而喻，金属管的外径小于陶瓷或陶瓷基复合材料管的内径，这使得能够实现这种插入。
25、根据本发明的金属化方法被证明特别适合于制造管状核燃料包层，因为它提供了在陶瓷基复合材料管(特别是基于sic)的内表面上镀覆(特别是由锆合金制成的)金属管的可能性，一方面，没有金属管的任何弹性回复的风险，另一方面，没有使用易于降低金属层性能的cvi炉通过操作。
26、因此，本发明还涉及一种管状核燃料包层的制造方法，这种包层包括由陶瓷基复合材料制成的层，该层的内表面涂覆有金属层，其特征在于，该方法至少包括上述金属化方法的实施。
27、优选地，包层是双层包层，即陶瓷基复合材料层形成包层的外表面，而金属层形成包层的内表面。
28、然而，不言而喻，包层可以不是双层，在陶瓷基复合材料层的外表面或金属层的内表面上存在一个或多个附加层。
29、通常，管状包层具有圆形横截面，但其它几何形状(例如，椭圆形、矩形、正方形或六边形横截面)也是可能的。
30、优选地，包层的陶瓷基复合材料层是由碳化硅基质和碳化硅纤维制成的层，而这种包层的金属层是由锆合金(诸如，zircaloy-4、zirlotm或m5tm合金)制成的层。
31、根据本发明，包层优选是用于轻水核反应堆的核燃料包层，特别是用于压水反应堆或沸水反应堆，优选用于压水反应堆，在这种情况下，包层的长度通常是4米，壁的厚度为600μm，由碳化硅基和碳化硅纤维制成的层的厚度则优选为400μm至500μm，而金属层的厚度优选为100μm至200μm。
32、根据本发明的金属化方法还非常适合于制造管状液体或固体气罐，例如，氢气或管状推进剂罐，这些罐的壁包括由陶瓷或陶瓷基复合材料制成的层，该层的内表面涂覆有金属层。
33、因此，本发明还涉及一种这种罐的制造方法，其特征在于，该方法至少包括如上文所述的金属化方法的实施。
34、优选地，罐壁是双层壁，即，陶瓷或陶瓷基复合材料层形成罐的外表面，并且金属层形成罐的内表面。
35、本发明的其他特征和优点将在阅读以下参考附图的附加说明时显现。
36、不言而喻，该附加说明仅作为本发明的主题的说明而给出，并且决不应被解释为对该主题的限制。
1.由陶瓷或陶瓷基复合材料制成的管(12)的内表面(14)的金属化方法，所述金属化方法至少包括以下步骤：在陶瓷或陶瓷基复合材料管(12)的内表面(14)上镀覆金属管(10)，其特征在于，所述镀覆包括通过向该管(10)施加内部压力和加热而使所述金属管(10)蠕变，所述蠕变导致所述金属管(10)的外径(d1)增加，直到该管的外表面(16)镀覆在所述陶瓷或陶瓷基复合材料管(12)的内表面(14)上。
2.根据权利要求1所述的金属化方法，其中，对所述金属管施加内部压力包括对该管的等静增压。
3.根据权利要求2所述的金属化方法，其中，所述等静增压包括气体的吸入。
4.根据权利要求3所述的金属化方法，其中，所述气体是惰性气体。
5.根据权利要求1所述的金属化方法，其中，所述金属管的加热通过焦耳效应进行。
6.根据权利要求1所述的金属化方法，其中，所述金属管由锆、钛或其合金制成。
7.根据权利要求6所述的金属化方法，其中，所述金属管由锆合金制成。
8.根据权利要求1所述的金属化方法，其中，所述陶瓷或陶瓷基复合材料管是由碳化硅或碳化硅基和纤维增强复合材料制成的管。
9.根据权利要求8所述的金属化方法，其中，所述纤维增强包括碳纤维、碳化硅纤维或氧化物纤维。
10.根据权利要求9所述的金属化方法，其中，所述纤维增强包括碳化硅纤维。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的金属化方法，还包括：在所述镀覆步骤之前，将所述金属管插入至所述陶瓷或陶瓷基复合材料管中。
12.一种管状核燃料包层的制造方法，所述包层包括由陶瓷基复合材料制成的层，所述层的内表面涂覆有金属层，其特征在于，所述制造方法至少包括根据权利要求1至11中任一项所述的金属化方法的实施。
13.根据权利要求12所述的制造方法，其中，所述陶瓷基复合材料层形成所述包层的外表面，并且所述金属层形成所述包层的内表面。
14.根据权利要求12或权利要求13所述的制造方法，其中，所述陶瓷基复合材料层是由碳化硅基和碳化硅纤维制成的层，并且所述金属层是由锆合金制成的层。
15.根据权利要求12或权利要求13所述的制造方法，其中，所述包层是用于轻水反应堆的核燃料的包层。
16.一种管状液体或固体气罐或管状推进剂罐的制造方法，所述罐的壁包括由陶瓷或陶瓷基复合材料制成的层，所述层的内表面涂覆有金属层，其特征在于，所述制造方法至少包括根据权利要求1至11中任一项所述的金属化方法的实施。
17.根据权利要求16所述的制造方法，其中，所述陶瓷或陶瓷基复合材料层形成罐壁的外表面，并且所述金属层形成所述罐壁的内表面。
