[發明專利]一種在核電用鋯材中獲得高密度納米孿晶的方法

有效

• 申請號: 201610259231.3
• 申請日: 2016-04-25
• 公開（公告）號: CN105714225B
• 公開（公告）日: 2018-01-16
• 發明（設計）人: 柴林江;王姝儼;陳寶鳳
• 申請（專利權）人: 重慶理工大學
• 主分類號: C22F1/18
• 分類號: 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領域。

背景技術

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酸、無機酸、強堿和熔融鹽中具有優異的耐腐蝕表現以及其較好的綜合力學性能。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。隨著核反應堆技術的不斷發展，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。大量的研究表明，獲得均勻細小、取向隨機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鍵的作用。并且，核電用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，因此需要對核電用鋯合金材料進行表面強化處理。

納米孿晶金屬以其優異的力學性能和良好的導電性受到廣泛關注。孿晶是金屬材料中常見的結構,孿晶界可以有效地阻礙位錯的運動,從而起到強化材料的作用傳統金屬結構材料中孿晶片層厚度在微米或亞微米尺度,這種孿晶結構及其界面與大角度晶界類似,對材料的強化有一定的效果，但當孿晶片層厚度降低至納米量級（納米孿晶）,材料的強度、硬度等力學性能得到顯著提升,同時仍能夠保持良好的韌性和導電性能。中國科學院金屬研究所沈陽材料科學聯合實驗室盧磊等在《金屬學報》（2010年11期1422-1427頁）上的發表的“納米孿晶金屬材料”表明，具有高密度納米孿晶結構的純Cu具有高的強度和優良的導電性能。納米孿晶金屬優異的綜合力學性能源于其獨特的塑性變形機制。塑性變形過程中孿晶界可有效阻礙位錯運動，具有和普通晶界相似的強化作用。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構更加穩定，其過剩能僅為普通晶界的1/10。因此，納米孿晶結構從能量上要比相同化成分的納米晶體結構穩定很多，這種穩定的超細納米孿晶結構的獲得不僅是傳統材料制備技術的突破，同時也為深入研究金屬材料力學行為的納米尺寸效應提供了可能。

激光技術在表面改性中的應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，激光表面處理技術在鋁鎂合金及模具鋼中得到很好的應用。如中國科學院金屬研究所的王茂才等，發明了一種鎂合金激光表面強化的修復方法（CN 1629352A）對鎂合金的疏松、氣孔、裂紋、縮孔等缺陷以及缺肉、尺寸超差等進行強化修復。然而，目前采用激光表面強化的方法對核電用鋯合金進行處理的詳細步驟及主要參數范圍的研究報道很少，本發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范圍。這個發明不僅操作方便、效率高，并且起到非常好的表面強化作用。

發明內容

針對現有技術的上述不足，本發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備對核用鋯合金材料進行表面強化處理，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），進而達到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：

(1) 工件的制備

首先利用線切割設備將核用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×40mm×3mm的長方體塊狀工件；將工件依次經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，然后在拋光液中進行電解拋光，拋光電壓為20V，拋光溫度為-40～-20℃，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。拋光液可以為現有技術中的合適液體；本發明提供一種高氯酸、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。

(2) 工件的脈沖激光處理