[發明專利]一種低溫高負載狀況下材料表面的無界面強化處理方法

無效

• 申請號: 201210575283.3
• 申請日: 2012-12-26
• 公開（公告）號: CN103898469A
• 公開（公告）日: 2014-07-02
• 發明（設計）人: 廖敏;羅蓉蓉;李鵬遠;韓石磊;孫振超;周曉璐;許丹;鄢華男;王躍
• 申請（專利權）人: 核工業西南物理研究院
• 主分類號: C23C14/48
• 分類號: C23C14/48;C23C14/02
• 代理公司: 核工業專利中心 11007
• 代理人: 包海燕

技術領域

本發明屬于材料的表面強化處理技術領域，具體涉及一種低溫高負載狀況下材料表面的無界面強化處理方法。

背景技術

在聚變反應堆裝置內某些部位結構材料需要在超低溫(-196℃)、高應力工程載荷下長時間服役，所以要求其不僅具有良好的剛度，能承受強熱應力、強電磁力、且低溫下要有良好的柔韌性和耐疲勞磨損性能。

現有的不銹鋼材料不能直接滿足上述要求，因此需要對材料提供一種或多種表面強化處理方式，本發明通過一種特殊的離子束表面強化處理方法，注入N和Ti離子到不銹鋼材料表面，使其兼具良好的力學性能和耐摩擦磨損性能，從而滿足聚變反應堆裝置內對不銹鋼材料的高力學及磨損性能的要求。

發明內容

本發明需要解決的技術問題為：現有技術中的不銹鋼材料，低溫下難以兼備良好的力學性能和耐磨損性能，無法較好地滿足聚變反應過程中對其要求。

本發明的技術方案如下所述：

一種低溫高負載狀況下材料表面的無界面強化處理方法，包括以下步驟：步驟1基材預處理；步驟2清洗基材表面；步驟3離子注入。

步驟1中，對金屬基材表面進行拋光，所述金屬基材優選為316LN不銹鋼材料。

步驟2中，對基材表面先后進行超聲波清洗、離子濺射清洗。步驟2中，優選采用丙酮或乙醇進行超聲波清洗；采用Ar+離子對金屬基材表面進行離子濺射清洗，離子濺射清洗時間可以為10-15分鐘。

步驟3中，離子注入方式可以為N離子單獨注入或N離子+Ti離子復合注入。

單獨注入N離子時：N離子的注入加速電壓可以為40KV，N離子注入劑量可以為2×10¹⁷-8×10¹⁷/cm²；復合注入N離子和Ti離子時：N離子的注入加速電壓可以為40KV，Ti離子的注入加速電壓可以為60KV，N離子、Ti離子注入劑量比為1:1，范圍可以均為1×10¹⁷-4×10¹⁷/cm²。

步驟3中，離子注入的真空度可以為10^-3-10^-4Pa，離子源的N₂供氣純度可以為99.999%，脈沖離子源的Ti陰極純度可以為99.8%。

本發明的有益效果為：

(1)本發明的一種低溫高負載狀況下材料表面的無界面強化處理方法，通過離子束將離子注入到金屬基體表面，注入深度為0.2-1μm；

(2)本發明的一種低溫高負載狀況下材料表面的無界面強化處理方法，強化處理后，基體金屬與注入離子之間形成強化相，產生無界面結合；

(3)本發明的一種低溫高負載狀況下材料表面的無界面強化處理方法，強化處理后提高了金屬基材的表面顯微硬度，與基材相比，增加了10%-60%，可以實現聚變反應堆對材料硬度的更高要求，充分發揮了離子注入在材料表面強化處理的優勢；

(4)本發明的一種低溫高負載狀況下材料表面的無界面強化處理方法，在等離子注入時，通過調整注入離子的劑量及比率，確保了基材表面形成更多的面心立方結構γN(111)、γN(200)等固溶膨脹相，從而提高不銹鋼材料低溫下力學性能及耐磨性能；

(5)本發明的一種低溫高負載狀況下材料表面的無界面強化處理方法，低溫環境(-196℃)下材料的力學性能和耐磨損性能與未強化處理前相比均有很大的提升。

(6)本發明的一種低溫高負載狀況下材料表面的無界面強化處理方法，在低溫環境(-196℃)，載荷壓強大于10kg/cm²下，采用SiN或GCr15摩擦球磨損0-10000次后，樣品表面摩擦系數較低，耐磨性能優良。

具體實施方式

下面通過實施例對本發明進行詳細說明，但本發明的保護范圍不局限于下述實施例。

本發明的一種低溫高負載狀況下材料表面的無界面強化處理方法，包括以下步驟：

步驟1基材預處理

對316LN不銹鋼等金屬基材表面進行拋光處理。

步驟2清洗基材表面

對金屬基材表面先后進行超聲波、離子濺射清洗。

優選采用丙酮或乙醇進行超聲波清洗，采用Ar+離子對金屬基材表面驚醒濺射清洗，清洗時間為10-15分鐘。

步驟3離子注入