[發明專利]一種獲得鋯合金超硬表面改性層的方法

在審

• 申請號: 201610030496.6
• 申請日: 2016-01-18
• 公開（公告）號: CN105648516A
• 公開（公告）日: 2016-06-08
• 發明（設計）人: 柴林江;陳寶鳳;王姝儼;周志明;黃燦
• 申請（專利權）人: 重慶理工大學
• 主分類號: C25F3/26
• 分類號: C25F3/26;C22F1/18
• 代理公司: 重慶博凱知識產權代理有限公司 50212
• 代理人: 李曉兵

技術領域

本發明涉及一種獲得鋯合金超硬表面改性層的方法，該方法是使用脈沖激光表面強化的方法在鋯合金材料表面制備一定深度的改性層，進而細化鋯合金材料的表層組織，提高其顯微硬度和強度等力學性能，屬于材料表面處理技術領域。

背景技術

鋯合金是以鋯為基體加入其他元素而構成的有色合金，其在300℃～400℃的高溫高壓水和蒸汽中有良好的耐蝕性能、適中的力學性能和較低的原子熱中子吸收截面，對核燃料有良好的相容性，因此，鋯合金常用作水冷核反應堆的堆芯結構材料，如燃料包殼、壓力管、支架和孔道管等。隨著核反應堆技術朝著提高燃料燃耗、反應堆熱效率和安全可靠性，以及降低燃料循環成本方向發展，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、力學性能和輻照尺寸穩定性等。而鋯合金的這些性能與其微觀組織（如晶粒的尺寸、織構及第二相粒子的尺寸、分布、結構等）密切相關。為了順應這種高燃耗及節能減排的趨勢，相關研究者做了很多努力，如上海核工程研究設計院的黃錦華等開發了一種用于輕水堆較高燃耗下的鋯合金材料（CN104745875A），該鋯合金與現有技術的鋯合金相比，在高溫純水中具有更為優異的耐腐蝕性能；田曉東等通過在鋯合金表面離子滲氧制備二氧化鋯滲層（CN104818449A），使其表面得到組織均勻致密的二氧化鋯滲層，能夠顯著提高鋯合金的表面硬度和耐蝕性能。大量的研究表明，獲得均勻細小、取向隨機的晶粒對提高鋯合金加工性能、減弱輻照生長等具有十分關鍵的作用。因此如何提高鋯合金的表面強度，細化均勻合金表面的顯微組織，提高合金的性能，進而大大延長其換料周期是至關重要的。鋯合金材料在核工業使用過程中，其失效往往由于表面率先失效而引起整體失效，因此需要對鋯合金材料進行表面強化處理。

激光表面處理技術是將高能量密度的激光束投射到金屬材料表面，并采用高速掃描的方式，使材料表層迅速升溫發生相變甚至熔化，在材料表面產生超高的溫度梯度，從而依靠向基體散熱而自身冷卻，導致極高的冷卻速度，由此引發相變、快速凝固、汽化和熱應力等物理化學現象，從而在材料表層形成一定深度的改性層。激光表面處理技術在鋁鎂合金及模具鋼中得到很好的應用，達到提高其耐熱、耐蝕及耐磨等性能。激光使材料表層快速升溫和極速冷卻的過程中，由于極高的溫度梯度，通過動力學控制來提高形核率抑制晶粒長大可以在材料表面獲得超細晶組織或納米組織，使其達到常規方法難以實現的表面改性效果。近年來許多研究者正開展利用激光表面強化技術對各種合金和功能材料的研究。對于鋯合金，如山東大學的李亞江等采用激光原位熔覆的方法在鋯合金表面原位制備了鎳基耐熱耐磨涂層（CN103866319A），耐磨涂層性能優異。陳科培等在《應用激光》（2015年02期166-169頁）上發表的“鋯合金表面激光熔覆TiN/ZrN復合陶瓷涂層的研究”，采用激光熔覆的方法在鋯合金表面制得TiN/ZrN復合陶瓷涂層，無裂紋，表面質量好，且涂層硬度高達863HV。然而，迄今為止，目前采用激光表面強化的方法對鋯合金進行處理的詳細步驟及主要參數范圍還尚未見報道，本發明將提供一種脈沖激光處理鋯合金材料使表面獲得超硬改性層的方法步驟及主要參數范圍，經濟實用、效率高且性能良好的表面強化工藝。

發明內容

本發明提供了一種獲得鋯合金超硬表面改性層的方法，以實現通過采用脈沖激光設備對鋯合金材料進行表面強化處理得到一定深度的超細晶組織，進而提高鋯合金包殼材料表面的顯微硬度和強度等力學性能的目的。

為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：

首先依次選用400#、800#、1000#、1500#、2000#和3000#砂紙將樣品打磨光亮，然后在拋光液中進行電解拋光，拋光溫度為-20～-30℃，拋光電壓為20V；拋光液可以為現有技術中的合適液體；本發明提供一種甲醇、乙二醇單丁醚和高氯酸混合液的拋光液，其體積比為：60%—75%的甲醇，10%—25%的乙二醇單丁醚，8%—15%的高氯酸。拋光過程中磁轉子緩慢攪拌，同時不斷晃動試樣，20-30s后迅速將樣品取出，用清水和/或乙醇依次清洗樣品表面，最后吹干其表面，吹干后試樣的表面沒有水漬的痕跡；

將表面清洗處理后的樣品裝夾在配用的夾具上，放入脈沖激光設備的工作室內，并向工作室內通入保護氣體；如氬氣、氦氣等；

啟動脈沖激光設備，加載電壓，對鋯合金材料的表面進行激光表面強化處理。脈沖激光表面強化處理的主要參數范圍：激光功率25-500W，能量密度3-50J/mm²，脈沖寬度2-5ms，離焦量2-5mm，掃描速度6-20mm/s；