專利名稱：一種抗高溫腐蝕的鋯合金管及其激光表面預氧化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鋯合金材料領(lǐng)域，尤其核電鋯合金材料及其一種激光表面處理工藝。
背景技術(shù)：
鋯合金具有密度低、比強高、耐腐蝕、加工性能優(yōu)異、熱中子吸收截面低等一系列特點，被廣泛用于核反應堆的壓力管和燃料包殼。國際核動力技術(shù)向高燃耗、長燃料循環(huán)周期的發(fā)展，為了提高燃料元件的燃耗，達到降低核電成本及達到核動力堆使用要求的目的，這便要求作為燃料元件的包殼材料應當具有更加優(yōu)異的耐腐蝕性。延長鋯合金的工作壽命很大程度上受限于高溫耐蝕性能的改善，這便要求鋯合金在服役環(huán)境條件下具有更加優(yōu)異的耐腐蝕性。隨著我國核電事業(yè)的發(fā)展，反應堆結(jié)構(gòu)材料和燃料及其相應處理技術(shù)的國產(chǎn)化是必然趨勢。除了調(diào)節(jié)鋯管合金元素含量及化學成分，優(yōu)化材質(zhì)本身并完善熱處理工藝之外，鋯管的表面處理技術(shù)也越來越引起研究開發(fā)者的關(guān)注。激光表面技術(shù)做為一種重要的表面工藝之一，因激光熱源的特殊性，其工藝技術(shù)自身有許多獨特的優(yōu)勢。本發(fā)明通過激光掃描鋯合金表面時，輔助Ar+02氧化性混合氣體，既能消除鋯合金管軋制時產(chǎn)生的織構(gòu)，又能在鋯管表面產(chǎn)生致密的ZrO2預氧化薄膜，該預氧化膜可阻擋鋯合金管服役時氧氫的擴散，從而提高其在高溫條件下的抗腐蝕性能。

發(fā)明內(nèi)容
為鋯合金管的抗高溫腐蝕性能并延長核反應堆燃料循環(huán)周期，提供一種抗高溫腐蝕的鋯合金管及其激光表面預氧化方法，其特征在于:采用連續(xù)激光熱源對鋯合金管外表面進行掃描，激光掃描時輔助O2與Ar的氧化性混合氣體，Zr與O2的冶金反應得到厚度
2-5um致密的ZrO2預氧化薄膜，然后對鋯管進行熱處理，通過預氧化薄膜對鋯合金基體的保護提高鋯合金的抗高溫腐蝕性能。所述的一種抗高溫腐蝕的鋯合金管及其激光表面預氧化方法，其特征在于:采用波長范圍808nm至10.6um的激光熱源對鋯管表面進行掃描實現(xiàn)預氧化，激光功率200-600瓦，激光掃描線速度400-600 mm/min, O2在氧化性Ar+02混合氣體中的體積比為70 % -90 %，混合氣體流量5-15 L /min。所述的一種抗高溫腐蝕的鋯合金管及其激光表面預氧化方法，其特征在于:對激光預氧化之后的鋯管進行熱處理，在真空熱處理爐內(nèi)加熱至420±5°C保溫3小時，然后冷卻至280±5°C保溫2小時，隨后爐冷至室溫。所述的一種抗高溫腐蝕的鋯合金管及其激光表面預氧化方法，其特征在于:激光預氧化之后的錯合金管抗高溫腐蝕，在360°C/18.6MPa / 3.5ppmLi+ +IOOOppm B0431 勺高壓缶中腐蝕3天，鋯合金管氧化增重6-9mg /dm2。本發(fā)明 的效果體現(xiàn)在，在輔助Ar+02氧化性混合氣體條件下激光掃描鋯合金表面完成鋯合金氧化，既能消除鋯合金管軋制時產(chǎn)生的表面織構(gòu)，又能在鋯管表面產(chǎn)生致密的ZrO2預氧化薄膜，該預氧化膜可阻擋鋯合金管服役時氧氫的擴散，從而具有優(yōu)異的抗高溫腐蝕性能。


圖1是激光氧化示意2是激光氧化后續(xù)熱處理曲線圖1.Ar氣體噴嘴2.鋯管3.數(shù)控轉(zhuǎn)臺4.激光束聚焦系統(tǒng)5.Ar+02氣體噴嘴
具體實施例方式實施例1(I)選取直徑9.8 mm的Zr_l.0Nb合金管狀材料，厚度0.6 mm，將鋯管2安裝于數(shù)控轉(zhuǎn)臺3上，并用丙酮清洗鋯管表面；

(2)通過Ar+02氣體噴嘴5向鋯管外表面輸送流量為5 L/min的Ar+02混合氣體，O2在混合氣體中的體積比為70 %，通過Ar氣體噴嘴I將Ar氣送入鋯管內(nèi)孔，起到保護和冷卻的作用，所使用的Ar和O2氣體均為99.995%的高純氣體；(3)設(shè)置數(shù)控轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)速，使鋯管外圓的旋轉(zhuǎn)線速度達到600 mm/min，采用波長10.6 um的(1)2激光熱源對錯管表面進行掃描,通過激光束聚焦系統(tǒng)4得到直徑2mm的光斑，激光功率600瓦，實現(xiàn)鋯管表面的預氧化，ZrO2氧化膜的厚度約為2um ；(4)對激光預氧化之后的鋯管進行熱處理，在真空熱處理爐內(nèi)加熱至420±5°C保溫3小時，然后冷卻至280±5°C保溫2小時，隨后爐冷至室溫，實現(xiàn)鋯管微觀組織的改善以及激光熱應力的去除，有關(guān)熱處理曲線見圖2 ；(5)截取長度為20mm的激光預氧化鋯管，然后放在360°C /18.6MPa / 3.5ppmLi++IOOOppm 1304^的高壓擊中腐蝕3天,錯合金管氧化增重9.0 mg /dm2。實施例2(I)選取直徑9.8mm的Zr_l.0Nb合金管狀材料，厚度0.6mm，將鋯管2安裝于數(shù)控
轉(zhuǎn)臺3上，并用丙酮清洗鋯管表面；(2)通過Ar+02氣體噴嘴5向鋯管外表面輸送流量為10L/min的Ar+02混合氣體，O2在混合氣體中的體積比為80 %，通過Ar氣體噴嘴I將Ar氣送入鋯管內(nèi)孔，起到保護和冷卻的作用，所使用的Ar和O2氣體均為99.995%的高純氣體；(3)設(shè)置數(shù)控轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)速，使鋯管外圓的旋轉(zhuǎn)線速度達到500mm/min，采用波長
1.07 um的光纖激光熱源對鋯管表面進行掃描，通過激光束聚焦系統(tǒng)4得到直徑3_的光斑，激光功率400瓦，實現(xiàn)鋯管表面的預氧化，ZrO2氧化膜的厚度約為3.5um ；(4)對激光預氧化之后的鋯管進行熱處理，在真空熱處理爐內(nèi)加熱至420±5°C保溫3小時，然后冷卻至280±5°C保溫2小時，隨后爐冷至室溫，實現(xiàn)鋯管微觀組織的改善以及激光熱應力的去除，有關(guān)熱處理曲線見圖2 ；(5)截取長度為20mm的激光預氧化鋯管，然后放在360°C /18.6MPa / 3.5ppmLi++IOOOppm B043-的高壓擊中腐蝕3天,錯合金管氧化增重7.5mg /dm2。實施例3(I)選取直徑9.8mm的Zr_l.0Nb合金管狀材料，厚度0.6mm,將鋯管2安裝于數(shù)控轉(zhuǎn)臺3上，并用丙酮清洗鋯管表面；(2)通過Ar+02氣體噴嘴5向鋯管外表面輸送流量為15L/min的Ar+02混合氣體，O2在混合氣體中的體積比為90 %，通過Ar氣體噴嘴I將Ar氣送入鋯管內(nèi)孔，起到保護和冷卻的作用，所使用的Ar和O2氣體均為99.995%的高純氣體；(3)設(shè)置數(shù)控轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)速，使鋯管外圓的旋轉(zhuǎn)線速度達到400mm/min，采用波長808nm的半導體激光熱源對鋯管表面進行掃描，通過激光束聚焦系統(tǒng)4得到1.5 X 1.5mm的方形光斑，激光功率200瓦，實現(xiàn)鋯管表面的預氧化，ZrO2氧化膜的厚度約為5um ；(4)對激光預氧化之后的鋯管進行熱處理，在真空熱處理爐內(nèi)加熱至420±5°C保溫3小時，然后冷卻至280±5°C保溫2小時，隨后爐冷至室溫，實現(xiàn)鋯管微觀組織的改善以及激光熱應力的去除，有關(guān)熱處理曲線見圖2 ；(5)截取長度為20mm的激光預氧化鋯管，然后放在360°C /18.6MPa / 3.5ppmLi++IOOOppm 1304 ^的高壓擊中腐蝕3天,錯合金管氧化增重6.0 mg /dm2。
權(quán)利要求
1.一種抗高溫腐蝕的鋯合金管及其激光表面預氧化方法，其特征在于:采用連續(xù)激光熱源對鋯合金管外表面進行掃描，激光掃描時輔助O2與Ar的氧化性混合氣體，然后對鋯管進行熱處理； 采用波長范圍808nm至10.6um的激光熱源對鋯管表面進行掃描實現(xiàn)預氧化，激光功率200-600瓦，激光掃描線速度400-600 mm/min, O2在氧化性Ar+02混合氣體中的體積比為70% -90%，混合氣體流量5-15 L /min ； 對激光預氧化之后的鋯管進行熱處理，在真空熱處理爐內(nèi)加熱至420±5°C保溫3小時，然后冷卻至280±5°C保溫2小時，隨后爐冷至室溫。
全文摘要
本發(fā)明涉及鋯合金材料領(lǐng)域，尤其一種抗高溫腐蝕的鋯合金管及其激光表面預氧化方法，其特征在于采用連續(xù)激光熱源對鋯合金管外表面進行掃描，激光掃描時輔助O2與Ar的氧化性混合氣體，然后對鋯管進行熱處理；采用波長范圍808nm至10.6um的激光熱源對鋯管表面進行掃描實現(xiàn)預氧化，激光功率200-600瓦，激光掃描線速度400-600 mm/min，O2在氧化性Ar+O2混合氣體中的體積比為70％-90％，混合氣體流量5-15 L /min；對激光預氧化之后的鋯管進行熱處理，在真空熱處理爐內(nèi)加熱至420±5℃保溫3小時，然后冷卻至280±5℃保溫2小時，隨后爐冷至室溫。本發(fā)明的既能消除鋯合金管軋制時產(chǎn)生的表面織構(gòu)，又能在鋯管表面產(chǎn)生致密的ZrO2預氧化薄膜，具有優(yōu)異的抗高溫腐蝕性能。
文檔編號C22F1/18GK103194718SQ20131013834
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月21日
發(fā)明者楊膠溪, 王欣, 王榮山, 翁立奎 申請人:北京工業(yè)大學