In this paper, the mechanical performance of cracked surface-coated Zircaloy cladding, which has different coating materials, coating thicknesses and initial crack lengths, has been investigated. By analyzing the stress field near the crack tip, the safety zone range of initial crack length has been decided. In order to determine whether the crack can propagate along the radial (r) or axial (z) directions, the energy release rate has been calculated. By comparing the energy release rate with fracture toughness of materials, we can divide the initial crack lengths into three zones: safety zone, discussion zone and danger zone. The results show that Cr is suitable coating material for the cladding with a thin coating while Fe-Cr-Al have a better fracture mechanical performance in the cladding with thick coating. The Si-coated and SiC-coated claddings are suitable for reactors with low power fuel elements. Conclusions in this paper can provide reference and guidance for the cladding design of nuclear fuel elements.
Laser processing has been used in various fields. In this study, the feasibility of a hydrophobic surface was investigated through the laser cladding technique. A diode laser was used, and the output was set to 600-800 W. Seven different specimens were prepared with different cladding widths and spacings, and the contact angles for water droplets were evaluated. As a result, the contact angle of water droplets measured in the direction parallel to the cladding line was higher than that in the vertical direction. The wider the cladding width and the cladding space, the higher the contact angle in the parallel direction. It is thought that when a higher contact angle is formed in the parallel direction, more air can be placed in the valley between the cladding lines. In addition, for the hydrophobic coating effect, the contact angle of the coated cladding surface was increased by about $5-15^{\circ}$ as a whole compared to the coated smooth surface. It was confirmed that the wetting characteristics were improved through the cladding.
This paper investigates the enhanced wear performance of a CrAl coated accident tolerant fuel (ATF) cladding. In the wake of the Fukushima accident, extensive research on ATF with respect to improving the oxidation resistance of cladding materials is ongoing. Since coated Zr claddings can be applied without major changes to the criteria for reactor core design, many researchers are studying coatings for claddings. To improve the quality of the CrAl coating layer, optimization of the manufacturing process is imperative. This study employs arc ion plating to obtain improved CrAl coated claddings using CrAl binary alloy targets through an improved coating method. Surface roughness and adhesion are improved, and droplets are reduced. Furthermore, the coated layer has a dense and fine microstructure. In scratch tests, all the tested CrAl coated claddings exhibit a superior resistance compared to the Zr cladding. In a fretting wear test, the wear volume of the CrAl coated claddings is smaller compared to the Zr cladding. Furthermore, the coated cladding manufactured through the improved process exhibits better wear resistance than other CrAl coated claddings. Based on these results, we suggest that fine microstructure is attributed to a mechanically and microstructurally robust CrAl coating layer, which enhances wear resistance.
한국윤활학회 2002년도 proceedings of the second asia international conference on tribology
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pp.185-186
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2002
Fretting of fuel rod cladding material, Zircaloy-4 tube, in PWR nuclear power plants must be reduced and avoided. Nowadays the introduction of surface treatments or coatings is expected to be an ideal solution to fretting damage since fretting is closely related to wear. corrosion and fatigue. Therefore. in this study the fretting wear experiment was performed using TiAlN coated Zircaloy-4 tube as the fuel rod cladding and uncoated Zircaloy-4 as on of grids, especially concentrating on the sliding component. Fretting wear resistance of TiAlN coated Zircaloy-4 tubes was improved compared with that of TiN coated tubes and uncoated tubes and fretting wear mechanisms were brittle fracture and plastic flow at lower slip amplitude but severe oxidation and spallation of oxidative layer at higher ship amplitude.
Fretting of fuel rod cladding material, Zircaloy-4 Tube, in PWR nuclear power plants must be reduced and avoided. Nowadays the introduction of surface treatments or coatings is expected to bean ideal solution to fretting damage since fretting is closely related to wear, corrosion and fatigue. Therefore, in this study the fretting wear experiment was peformed using TiAIN coated Zircaloy-4 tube as the fuel rod cladding and uncoated Zircaioy-4 tube as one of grids, especially concentrating on the sliding component. Fretting wear resistance of TiAIN coated Zircaloy-4 tubes was improved compared with that of TiN coated tubes and uncoated tubes and the fretting wear mechanisms were delamination and plastic flow following by brittle fracture at lower slip amplitude but severe oxidation and spallation of oxidative layer at higher slip amplitude.
Kim, Cheol-Woo;Yoo, Hyo-Sang;Cho, Kyun-Taek;Jeon, Jae-Yeol;Choi, Se-Weon;Kim, Young-Chan
한국재료학회지
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제31권11호
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pp.601-607
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2021
Laser cladding a surface treatment process that grants superior characteristics such as toughness, hardness, and corrosion resistance to the surface, and rebuilds cracked molds; as such, it can be a strong tool to prolong service life of mold steel. Furthermore, compared with the other similar coating processes - thermal spray, etc., laser cladding provides superior bonding strength and precision coating on a local area. In this study, surface characteristics are studied after laser cladding of low carbon steel using 18%Cr-2.5%Ni-Fe powder (Rockit404), known for its high hardness and excellent corrosion resistance. A diode laser with wavelength of 900-1070 nm is adopted as laser source under argon atmosphere; electrical power for the laser cladding process is 5, 6, and 10 kW. Fundamental surface characteristics such as crossectional microstructure and hardness profile are observed and measured, and special evaluation, such as a soldering test with molten ALDC12 alloy, is conducted to investigate the corrosion resistance characteristics. As a result of the die-soldering test by immersion of low carbon alloy steel in ALDC12 molten metal, the clad layer's soldering thickness decreases.
To enhance the safety of nuclear reactors after the Fukushima accident, researchers are developing various types of accident tolerant fuel (ATF) to increase the coping time and reduce the generation of hydrogen by oxidation. Coated cladding, an ATF concept, can be a promising technology in view of its commercialization. We applied 3D printing technology to the fabrication of coated cladding as well as of coated pellets. Direct metal tooling (DMT) in 3D printing technologies can create a coated layer on the tubular cladding surface, which maintains stability during corrosion, creep, and wear in the reactor. A 3D laser coating apparatus was built, and parameter studies were carried out. To coat pellets with erbium using this apparatus, we undertook preliminary experiments involving metal pellets. The adhesion test showed that the coated layer can be maintained at near fracture strength.
The high-temperature oxidation behavior of ZrSi2 used as a coating material for nuclear fuel cladding was investigated for developing accident-tolerant fuel cladding of light water reactors. Bulk ZrSi2 samples were prepared by spark plasma sintering. In situ X-ray diffraction was conducted in air at 900, 1000, and 1100 ℃ for 20 h. The microstructures of the samples before and after oxidation were examined by scanning electron microscopy and transmission electron microscopy. The results showed that the oxide layer of zirconium silicide exhibited a layer-by-layer structure of crystalline ZrO2 and amorphous SiO2, and the high-temperature oxidation resistance was superior to that of Zircaloy-4 owing to the SiO2 layer formed. ZrSi2 was coated on the Zircaloy-4 tube surface using laser 3D printing, and the coated tube was oxidized for 2000 s at 1200 ℃ under a vapor/argon mixture atmosphere. The outer surface of the coated tube was hardly oxidized (10-30 ㎛), while the inner surface of the uncoated tube was significantly oxidized to approximately 300 ㎛.
Arc ion plating (AIP), laser cladding, and nitriding are methods that can prevent mold damage or repair and create cracks and breakages on the die surface. The dissolution and soldering behavior of coated SKD61 by using arc ion plating, laser cladding, and nitriding was investigated. The structure of the coating was investigated as a function of deposition conditions by X-ray diffraction and the crystallographic orientation was determined using the texture factor. The TiAlN film deposited with AIP showed excellent corrosion resistance in the molten aluminum alloy at 680℃. In this paper, we have detailed the corrosion and mass loss phenomena associated with these steel-cast metal interactions.
A structural model for stress distributions of coated Zircaloy subjected to realistic incore pressure difference, thermal expansion, irradiation-induced axial growth, and creep has been developed in this study. In normal operation, the structural integrity of coating layers is anticipated to be significantly challenged with increasing burnup. Strain mismatch between the zircaloy and the coated layer, due to their different irradiation-induced axial growth, and creep deformation are found to be the most dominant causes of stress. This study suggests that the compatibility of the high temperature irradiation-induced strains (axial growth and creep) between zircaloy and the coating layer and the capability to undergo plastic strain should be taken as key metrics, along with the traditional focus on chemical protectiveness.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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