一種在核電用鋯材中獲得高密度納米孿晶的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明提供一種在材料表面中獲得高密度納米孿晶的方法，尤其是在核電用鋯材中獲得高密度納米孿晶的方法。該方法是使用脈沖激光表面強(qiáng)化的方法在核用鋯合金材料表面具形成一定深度的改性層組織(由高密度納米孿晶組成)，屬于材料表面處理及改性技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]鋯合金具有較低的熱中子吸收截面、并且鋯及鋯合金在許多有機(jī)酸、無機(jī)酸、強(qiáng)堿和熔融鹽中具有優(yōu)異的耐腐蝕表現(xiàn)以及其較好的綜合力學(xué)性能。因此，鋯合金常用作水冷核反應(yīng)堆的堆芯結(jié)構(gòu)材料，如燃料包殼、壓力管、支架和孔道管等。隨著核反應(yīng)堆技術(shù)的不斷發(fā)展，對鋯合金包殼材料的性能提出了更高的要求，包括耐腐蝕性能、力學(xué)性能和輻照尺寸穩(wěn)定性等。而鋯合金的這些性能與其微觀組織(如晶粒的尺寸、織構(gòu)及第二相粒子的尺寸、分布、結(jié)構(gòu)等)密切相關(guān)。大量的研究表明，獲得均勻細(xì)小、取向隨機(jī)的晶粒對提高核電用鋯合金加工性能、減弱輻照生長等具有十分關(guān)鍵的作用。并且，核電用鋯合金材料在核工業(yè)使用過程中，其失效往往由于表面率先失效而引起整體失效，因此需要對核電用鋯合金材料進(jìn)行表面強(qiáng)化處理。
[0003]納米孿晶金屬以其優(yōu)異的力學(xué)性能和良好的導(dǎo)電性受到廣泛關(guān)注。孿晶是金屬材料中常見的結(jié)構(gòu)，孿晶界可以有效地阻礙位錯的運(yùn)動，從而起到強(qiáng)化材料的作用傳統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)材料中孿晶片層厚度在微米或亞微米尺度，這種孿晶結(jié)構(gòu)及其界面與大角度晶界類似，對材料的強(qiáng)化有一定的效果，但當(dāng)孿晶片層厚度降低至納米量級(納米孿晶)，材料的強(qiáng)度、硬度等力學(xué)性能得到顯著提升，同時仍能夠保持良好的韌性和導(dǎo)電性能。中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)聯(lián)合實驗室盧磊等在《金屬學(xué)報》(2010年11期1422-1427頁)上的發(fā)表的“納米孿晶金屬材料”表明，具有高密度納米孿晶結(jié)構(gòu)的純Cu具有高的強(qiáng)度和優(yōu)良的導(dǎo)電性能。納米孿晶金屬優(yōu)異的綜合力學(xué)性能源于其獨(dú)特的塑性變形機(jī)制。塑性變形過程中孿晶界可有效阻礙位錯運(yùn)動，具有和普通晶界相似的強(qiáng)化作用。同時孿晶界又可作為位錯的滑移面吸收大量位錯，與普通晶界相比孿晶界結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，其過剩能僅為普通晶界的1/10。因此，納米孿晶結(jié)構(gòu)從能量上要比相同化成分的納米晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定很多，這種穩(wěn)定的超細(xì)納米孿晶結(jié)構(gòu)的獲得不僅是傳統(tǒng)材料制備技術(shù)的突破，同時也為深入研究金屬材料力學(xué)行為的納米尺寸效應(yīng)提供了可能。
[0004]激光技術(shù)在表面改性中的應(yīng)用即利用高能激光束和材料表面之間的交互作用，使基體材料表面的顯微組織與性能發(fā)生改變，從而改善材料表面的性能。這些性能包括材料的硬度、耐磨抗腐蝕、抗氧化疲勞等。具體技術(shù)有:激光表面相變硬化、激光表面沖擊硬化、激光表面熔覆、激光表面合金化和激光表面非晶化等。目前，激光表面處理技術(shù)在鋁鎂合金及模具鋼中得到很好的應(yīng)用。如中國科學(xué)院金屬研究所的王茂才等，發(fā)明了一種鎂合金激光表面強(qiáng)化的修復(fù)方法(CN 1629352A)對鎂合金的疏松、氣孔、裂紋、縮孔等缺陷以及缺肉、尺寸超差等進(jìn)行強(qiáng)化修復(fù)。然而，目前采用激光表面強(qiáng)化的方法對核電用鋯合金進(jìn)行處理的詳細(xì)步驟及主要參數(shù)范圍的研究報道很少，本發(fā)明將提供一種利用脈沖激光處理核電用鋯合金材料使其表面獲得高密度的納米孿晶的方法步驟及主要參數(shù)范圍。這個發(fā)明不僅操作方便、效率高，并且起到非常好的表面強(qiáng)化作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，本發(fā)明提供了一種在核電用鋯材中獲得高密度納米孿晶的方法，通過采用脈沖激光設(shè)備對核用鋯合金材料進(jìn)行表面強(qiáng)化處理，最后形成具有一定深度的改性層組織(由高密度納米孿晶組成)，進(jìn)而達(dá)到提高鋯合金包殼材料表面的顯微硬度和強(qiáng)度等力學(xué)性能的目的。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:
(I)工件的制備
首先利用線切割設(shè)備將核用Zr-2.5Nb合金樣品制成尺寸符合工藝要求的工件，如尺寸為20mm X 40mm X 3mm的長方體塊狀工件;將工件依次經(jīng)過金相水磨砂紙逐級打磨平滑光亮，如依次通過400#、800#、1000#、1500#、2000#和3000#型號的水磨砂紙將樣品打磨光亮，然后在拋光液中進(jìn)行電解拋光，拋光電壓為20V，拋光溫度為-40?-20°C，拋光時間為30?60s，電解拋光完成后將工件迅速取出，并分別用清水與無水乙醇清洗工件表面。最后將工件表面吹干，并不留水漬痕跡。拋光液可以為現(xiàn)有技術(shù)中的合適液體;本發(fā)明提供一種高氯酸、甲醇和乙二醇單丁醚混合液混合形成的拋光液，其體積比為:5%?12%的高氯酸，65%?80%的甲醇，10%?25%的乙二醇單丁醚。
[0007](2)工件的脈沖激光處理
將表面清洗處理后的工件(樣品)裝夾在配用的夾具上，放入脈沖激光設(shè)備的工作室內(nèi)，并向工作室內(nèi)通入惰性氣體作為保護(hù)氣體，如氬氣、氦氣等；啟動脈沖激光設(shè)備，加載電壓，對鋯合金材料的表面進(jìn)行激光表面強(qiáng)化處理。脈沖激光表面強(qiáng)化處理的主要參數(shù)可以根據(jù)工藝需要選擇，其參數(shù)范圍:激光功率20?600W，能量密度3~50J/mm2，脈沖寬度2?6ms，離焦量2?4_，掃描速度5?25mm/s;取出經(jīng)激光強(qiáng)化處理的樣品，檢驗工件表面質(zhì)量，適當(dāng)將樣品的表面機(jī)加平整。
[0008]本發(fā)明的有益效果:
本發(fā)明所提供的一種在核電用鋯材中獲得高密度納米孿晶的方法，通過脈沖激光表面處理后的鋯合金材料表面形成具有一定深度的改性層組織(由高密度納米孿晶組成)，且改性層深度(0.3?3mm)可通過調(diào)整激光處理參數(shù)進(jìn)行有效控制，硬度最高可達(dá)340HV。本發(fā)明所提供的在核電用鋯材中獲得高密度納米孿晶的方法，是在研究不同參數(shù)下對Zr-2.5Nb表面強(qiáng)化處理過程中的性能變化規(guī)律的基礎(chǔ)上形成的，測試結(jié)果顯示，本發(fā)明提供的表面強(qiáng)化處理方法符合Zr-2.5Nb材料的性能變化規(guī)律，可有效改善Zr-2.5Nb顯微硬度及強(qiáng)度等力學(xué)性能，使其硬化層深度及組織更加細(xì)小均勻。強(qiáng)化處理過程操作方便，設(shè)備簡單，經(jīng)濟(jì)實用，技術(shù)可靠，效率高，質(zhì)量穩(wěn)定，可實現(xiàn)較好的經(jīng)濟(jì)效益。
【附圖說明】
[0009]圖1為本發(fā)明實施例提供核電用鋯合金表面改性層的超細(xì)晶組織電子顯微照片；
圖2為本發(fā)明實施例提供核電用鋯合金表面改性層的納米孿晶電子顯微照片。
【具體實施方式】
[0010]以下將結(jié)合附圖和【具體實施方式】，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0011]本發(fā)明提供了獲得鋯合金超硬表面改性層的方法，其特征在于包括如下步驟:
(I)工件的制備
首先利用線切割設(shè)備將核用Zr-2.5Nb合金的樣品制成尺寸符合工藝要求的工件，如20謹(jǐn)/40111111/3111111尺寸的工件，依次選用400#、800#、1000#、1500#、2000#和3000#的水磨砂紙將樣品打磨光亮，再對工件進(jìn)行電解拋光。拋光電壓為20V，拋光溫度為-40?-20°C，拋光時間為30?60s，電解拋光完成后將工件迅速取出，并分別用清水與無水乙醇清洗工件表面。最后將工件表面吹干，并不留水漬痕跡。拋光液可以為現(xiàn)有技術(shù)中的合適液體;本發(fā)明提供一種高氯酸、甲醇和乙二醇單丁醚混合得到的拋光液，其體積比為:5%?12%的高氯酸，65%?80%的甲醇，10%?25%的乙二醇單丁醚。
[0012](2)工件的脈沖激光處理
之后將表面清洗處理后的樣品裝夾在配用的夾具上，放入脈沖激光設(shè)備的工作室內(nèi)，并向工作室內(nèi)充入氬氣為保護(hù)氣體。啟動脈沖激光設(shè)備，加載電壓，對鋯合金材料的表面進(jìn)行脈沖激光強(qiáng)化處理。脈沖激光表面強(qiáng)化處理的主要參數(shù)范圍:激光功率20?600W，能量密度3~50J/mm2，脈沖寬度2?6ms，離焦量2?4mm，掃描速度5?25mm/s;在這個參數(shù)范圍內(nèi)，均能實現(xiàn)本發(fā)明目的；
最后取出樣品，檢驗工件表面質(zhì)量，適當(dāng)將樣品的表面機(jī)加平整。通過脈沖激光表面處理后的核電用鋯合金材料表面形成由高密度納米孿晶組成的具有一定深度的改性層組織，且改性層深度為0.3?3mm，該深度可通過調(diào)整激光處理參數(shù)進(jìn)行有效控制，硬度最高可達(dá)340HV。
[0013]實施例1
選取線切割后尺寸為20mm X 40mm X 3mm的Zr_2.5Nb試樣，首先依次選用400#、800#、1000#、1500#、2000#和3000#水磨砂紙將其打磨光亮，然后在70%甲醇+20%乙二醇單丁醚+10%高氯酸(體積比)的拋光液中進(jìn)行電解拋光，拋光電壓為20V，拋光溫度為-30 0C，拋光時間為30s。電解拋光完成后將工件迅速取出，并分別用清水與無水乙醇清洗工件表面。最后將工件表面吹干，并不留水漬痕跡。
[0014]將表面清洗處理后的樣品裝夾在專用的夾具上，放入脈沖激光設(shè)備的工作室的工位上，并向工作室內(nèi)充入純度為99.9%的氬氣作為保護(hù)氣體。啟動脈沖激光設(shè)備，加載電壓，對Zr-2.5Nb材料的表面進(jìn)行脈沖激光表面強(qiáng)化處理。脈沖激光表面強(qiáng)化處理的主要參數(shù)范圍:激光功率100W，能量密度20J/mm2，脈沖寬度2ms，離焦量2mm，掃描速度15mm/s;
經(jīng)測試?yán)帽景l(fā)明表面強(qiáng)化處理方法處理后的Zr-2.5Nb表面形成具有一定深度的改性層組織，主要由高密度納米孿晶組成，且改性層深度1.5mm，硬度達(dá)300HV。
[0015]實施例2
選取線切割后尺寸為20mm X 40mm X 3mm的Zr_2.5Nb試樣，首先依次選用400#、800#、1000#、1500#、2000#和3000#水磨砂紙將其打磨光亮，然后在72%甲醇+22%乙二醇單丁醚+6%高氯酸(體積比)的拋光液中進(jìn)行電解拋光，拋光電壓為20V，拋光溫度為-40 0C，拋光時間為40s。電解拋光完成后將工件迅速取出，并分別用清水與無水乙醇清洗工件表面。最后將工件表面吹干，并不留水漬痕跡。
[0016]將表面清洗處理后的樣品裝夾在專用的夾具上，放入脈沖激光設(shè)備的工作室的工位上，并向工作室內(nèi)充入純度為99.9%的氬氣作為保護(hù)氣體。啟動脈沖激光設(shè)備，加載電壓，對Zr-2.5Nb材料的表面進(jìn)行脈沖激光表面強(qiáng)化處理。脈沖激光表面強(qiáng)化處理的主要參數(shù)范圍:激光功率300W，能量密度30J/mm2，脈沖寬度4ms，離焦量3mm，掃描速度20mm/s;
經(jīng)測試?yán)帽景l(fā)明表面強(qiáng)化處理方法處理后的Zr-2.5Nb表面形成具有一定深度的改性層組織，主要由高密度納米孿晶組成，且改性層深度2mm，硬度達(dá)290HV。
[0017]實施例3
選取線切割后尺寸為20mm X 40mm X 3mm的Zr_2.5Nb試樣，首先依次選用400#、800#、1000#、1500#、2000#和3000#水磨砂紙將其打磨光亮，然后在65%甲醇+23%乙二醇單丁醚+12%高氯酸(體積比)的拋光液中進(jìn)行電解拋光，拋光電壓為20V，拋光溫度為-40 0C，拋光時間為50s。電解拋光完成后將工件迅速取出，并分別用清水與無水乙醇清洗工件表面。最后將工件表面吹干，并不留水漬痕跡。
[0018]將表面清洗處理后的樣品裝夾在專用的夾具上，放入脈沖激光設(shè)備的工作室的工位上，并向工作室內(nèi)充入純度為99.9%的氬氣作為保護(hù)氣體。啟動脈沖激光設(shè)備，加載電壓，對Zr-2.5Nb材料的表面進(jìn)行脈沖激光表面強(qiáng)化處理。脈沖激光表面強(qiáng)化處理的主要參數(shù)范圍:激光功率400W，能量密度40J/mm2，脈沖寬度6ms，離焦量4mm，掃描速度20mm/s;
經(jīng)測試?yán)帽景l(fā)明表面強(qiáng)化處理方法處理后的Zr-2.5Nb表面形成具有一定深度的改性層組織，主要由高密度納米孿晶組成，且改性層深度2.8mm，硬度達(dá)320HV。
【主權(quán)項】
1.一種在核電用鋯材中獲得高密度納米孿晶的方法，其特征在于包括以下步驟: (1)工件的制備 首先利用線切割設(shè)備將核用Zr_2.5Nb合金樣品制成尺寸符合工藝要求的工件，將工件依次經(jīng)過金相水磨砂紙逐級打磨平滑光亮;再對工件進(jìn)行電解拋光，拋光電壓為20V，拋光溫度為-40?-20°C，拋光時間為30?60s，電解拋光完成后將工件取出，并分別用清水與無水乙醇清洗工件表面;最后將工件表面吹干，并不留水漬痕跡； (2)工件的脈沖激光處理 將表面處理干凈后的工件裝夾在配用的夾具上，放入脈沖激光設(shè)備的工作室內(nèi)，并向工作室內(nèi)充入惰性氣體作為保護(hù)氣體;啟動脈沖激光設(shè)備，加載電壓，對鋯合金材料的表面進(jìn)行激光表面強(qiáng)化處理。脈沖激光表面強(qiáng)化處理的主要參數(shù)范圍:激光功率20?600W，能量密度3?50J/mm2，脈沖寬度2?6ms，離焦量2?4mm，掃描速度5?25mm/s ； (3)將激光強(qiáng)化處理的樣品取出，檢查工件表面質(zhì)量，通過脈沖激光表面處理后的核電用鋯合金包殼材料表面形成由高密度納米孿晶組成的具有一定深度的改性層組織，改性層深度為0.3?3mm。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在核電用鋯材中獲得高密度納米孿晶的方法，其特征在于:在步驟(I)中，將工件打磨平滑光亮的砂紙依次為400#、800#、1000#、1500#、2000#和3000#的水磨砂紙。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在核電用鋯材中獲得高密度納米孿晶的方法，其特征在于:在步驟(I)中，工件表面處理所用電解拋光液體積比為:5%?12%的高氯酸，65%?80%的甲醇，10%?25%的乙二醇單丁醚。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在核電用鋯材中獲得高密度納米孿晶的方法，其特征在于:在步驟(2)中，待樣品放入脈沖激光設(shè)備的工作室內(nèi)后，所充入的惰性保護(hù)氣體為氬氣。
【專利摘要】本發(fā)明介紹了一種在核電用鋯材中獲得高密度納米孿晶的方法。它通過采用核電用Zr?2.5Nb合金，對其表面進(jìn)行拋光處理后，置于脈沖激光的工位上，在氬氣保護(hù)下，使用脈沖激光束對樣品表面進(jìn)行處理。該激光表面處理方法的主要參數(shù)范圍：激光功率20~600W，能量密度3~50J/mm2，脈沖寬度2~6ms，離焦量2~4mm，掃描速度5~25mm/s。本發(fā)明可在核電用Zr?2.5Nb合金表面形成由高密度納米孿晶組成的具有一定深度的改性層組織，且改性層深度可達(dá)3mm；可使材料的強(qiáng)度、硬度等力學(xué)性能得到顯著提升，硬度最高可達(dá)340HV；可使核電用鋯材表面顯微組織大大細(xì)化，顯微硬度和強(qiáng)度大大提高，進(jìn)而改善其表面綜合機(jī)械性能。
【IPC分類】C22F1/18
【公開號】CN105714225
【申請?zhí)枴緾N201610259231
【發(fā)明人】柴林江, 王姝儼, 陳寶鳳
【申請人】重慶理工大學(xué)