[發明專利]一種鋯基材料表面原位陶瓷化復合處理方法

在審

• 申請號: 202011632715.0
• 申請日: 2020-12-31
• 公開（公告）號: CN112853255A
• 公開（公告）日: 2021-05-28
• 發明（設計）人: 李寧;葉建林;郗大來
• 申請（專利權）人: 西安優耐特容器制造有限公司
• 主分類號: C23C8/02
• 分類號: C23C8/02;C22F1/18;C23C8/10
• 代理公司: 西安創知專利事務所 61213
• 代理人: 馬小燕

本發明公開了一種鋯基材料表面原位陶瓷化復合處理方法，該方法包括：一、表面納米化處理環境的Fe污染檢測；二、鋯基材料表面預處理；三、鋯基材料表面納米化處理；四、納米化處理后的鋯基材料的Fe污染檢測；五、加熱設備環境的Fe污染檢測；六、高溫陶瓷化處理。本發明通過納米化處理獲得光滑均勻的鋯基材料加工表面，改善了鋯基材料表面應力分布狀態，促進了鋯基材料表面晶粒細化，然后結合高溫陶瓷化處理形成完整致密的原位陶瓷化復合處理層，提高了鋯基材料表面的耐腐蝕性和耐磨性，使其綜合服役性能極大提升，有效實現了金屬材料結構功能一體化。

技術領域

本發明屬于金屬材料的表面改性技術領域，具體涉及一種鋯基材料表面原位陶瓷化復合處理方法。

背景技術

鋯合金具有熱中子吸收截面小、輻照穩定性好、高溫水中良好的抗腐蝕性等優點，被廣泛用作燃料包殼材料和堆芯結構材料，是水冷反應堆核電站應用的關鍵材料。在服役過程中，鋯合金與高溫高壓水發生反應，使得燃料元件包殼表面生成不均勻的癤狀腐蝕的白色疏松易脫落的氧化膜，導致燃料元件過早破損，嚴重影響其使用壽命。而開發新的鋯合金，也需要較長的試驗和驗證周期，同時包括較大的研發成本投入等。另外，鋯合金還廣泛應用于非核的精細化工領域。由于鋯合金在含氧介質中表面會自發形成附著性非常好的一層保護性氧化膜，在氧存在的條件下，具有很強的自修復能力，顯著提升了鋯合金在苛刻環境下耐高溫和抗腐蝕性能。但鋯合金表面的氧化膜硬度低且極薄，在鋯合金設備的加工制備過程和使用過程易被外在載荷劃傷，并從該劃傷處發生點腐蝕，這往往是最常見的鋯合金腐蝕失效的源頭。

一般在苛刻的酸性或其它介質體系環境中，存在應力腐蝕開裂、氫脆、晶間腐蝕和電偶腐蝕四種主要的失效模式。尤其在酸性介質體系中的大型鋯合金設備或反應釜，其焊縫多，焊趾位置存在較大的應力集中，即殘余應力，又因焊接接頭熱影響區存在焊接熱循環作用，熱影響區本身存在一定的組織差異性，同時，焊接接頭各區存在更大的組織梯度，導致鋯合金母材、熱影響區和焊縫三區腐蝕電位差異性大，同時存在嚴重的焊趾位置應力腐蝕、熱影響區的晶間腐蝕、焊接接頭各區的電偶腐蝕和氫脆現象。上述現象會顯著縮短鋯合金制設備服役壽命，造成嚴重安全隱患和高的停車維修成本。

目前已有通過對鋯合金表面進行處理以改善其性能。其中，鋯合金表面直接噴丸納米化處理由于受金屬基材自身特性的局限，在材料表面成分不發生改變的情況下，表面形成的納米化層并不具備完全抵御環境作用的能力和某些特殊的表面功能屬性，同時缺乏工程服役驗證指導以及有價值的量化優化工藝數據，導致鋯合金表面產生較大粗糙度和微區局部損傷，易誘發應力集中，產生應力腐蝕開裂和點腐蝕隱患；同時，該納米化層對稀有金屬鋯合金表面硬度提高不明顯，達不到長期使用要求。由于鋯合金設備內外表面的焊縫分布在不同位置，各位置表面狀態相差特別大，在鋯合金表面直接進行高溫陶瓷化處理時，需要對設備內外表面進行機械打磨拋光一致性處理，易引入雜質元素且在工程實際操作難度較大，且工作量大，勞動強度高，關鍵是表面陶瓷膜層顏色均一性、致密性、結合強度、抗磨蝕抗疲勞等綜合性能差異性和不穩定性太大，難以在工程應用中推廣，陶瓷化質量不能保證，若進行表面預處理則增加了酸洗工藝，造成環境污染，同時廢酸處理也是較大問題，導致成本隨之增加，而工業制造領域限制或取締酸洗工藝。

截止目前尚未發現有針對鋯基材料材料通過表面納米化-高溫陶瓷化復合工藝改善陶瓷層綜合性能的研究或工程應用的報道。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于針對上述現有技術的不足，提供一種鋯基材料表面原位陶瓷化復合處理方法。該方法通過納米化處理獲得光滑均勻的鋯基材料加工表面，改善了鋯基材料表面應力分布狀態，促進了鋯基材料表面晶粒細化，然后結合高溫陶瓷化處理形成完整致密的原位陶瓷化復合處理層，提高了鋯基材料表面的耐腐蝕性和耐磨性，使其綜合服役性能極大提升。

為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：一種鋯基材料表面原位陶瓷化復合處理方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：