[發明專利]一種抗高溫腐蝕的鋯合金管及其激光表面預氧化方法

有效

• 申請號: 201310138344.4
• 申請日: 2013-04-21
• 公開（公告）號: CN103194718A
• 公開（公告）日: 2013-07-10
• 發明（設計）人: 楊膠溪;王欣;王榮山;翁立奎
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: C23C8/12
• 分類號: C23C8/12;C22F1/18;C22F1/02
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

技術領域

本發明涉及鋯合金材料領域，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

鋯合金具有密度低、比強高、耐腐蝕、加工性能優異、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。國際核動力技術向高燃耗、長燃料循環周期的發展，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境條件下具有更加優異的耐腐蝕性。隨著我國核電事業的發展,?反應堆結構材料和燃料及其相應處理技術的國產化是必然趨勢。

除了調節鋯管合金元素含量及化學成分，優化材質本身并完善熱處理工藝之外，鋯管的表面處理技術也越來越引起研究開發者的關注。激光表面技術做為一種重要的表面工藝之一，因激光熱源的特殊性，其工藝技術自身有許多獨特的優勢。本發明通過激光掃描鋯合金表面時，輔助Ar+O₂氧化性混合氣體，既能消除鋯合金管軋制時產生的織構，又能在鋯管表面產生致密的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。

發明內容

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。

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。

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：激光預氧化之后的鋯合金管抗高溫腐蝕，在360℃/18.6MPa?/?3.5ppmLi^+?+1000ppm?BO4^3-的高壓缶中腐蝕3天，鋯合金管氧化增重6-9mg?/dm²。

本發明的效果體現在，在輔助Ar+O₂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生的表面織構，又能在鋯管表面產生致密的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，從而具有優異的抗高溫腐蝕性能。

附圖說明

圖1是激光氧化示意圖

圖2是激光氧化后續熱處理曲線圖

1.Ar氣體噴嘴?2.鋯管?3.數控轉臺?4.激光束聚焦系統?5.Ar+O₂氣體噴嘴

具體實施方式

實施例1

（1）選取直徑9.8?mm的Zr-1.0Nb合金管狀材料，厚度0.6?mm，將鋯管2安裝于數控轉臺3上，并用丙酮清洗鋯管表面；

（2）通過Ar+O₂氣體噴嘴5向鋯管外表面輸送流量為5?L/min的Ar+O₂混合氣體，O₂在混合氣體中的體積比為70％，通過Ar氣體噴嘴1將Ar氣送入鋯管內孔，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）設置數控轉臺的轉速，使鋯管外圓的旋轉線速度達到600?mm/min，采用波長10.6?um的CO₂激光熱源對鋯管表面進行掃描，通過激光束聚焦系統4得到直徑2mm的光斑，激光功率600瓦，實現鋯管表面的預氧化，ZrO₂氧化膜的厚度約為2um；