一种在核电用锆材中获得高密度纳米孪晶的方法

摘要

本发明介绍了一种在核电用锆材中获得高密度纳米孪晶的方法。它通过采用核电用Zr?2.5Nb合金，对其表面进行抛光处理后，置于脉冲激光的工位上，在氩气保护下，使用脉冲激光束对样品表面进行处理。该激光表面处理方法的主要参数范围：激光功率20~600W，能量密度3~50J/mm2，脉冲宽度2~6ms，离焦量2~4mm，扫描速度5~25mm/s。本发明可在核电用Zr?2.5Nb合金表面形成由高密度纳米孪晶组成的具有一定深度的改性层组织，且改性层深度可达3mm；可使材料的强度、硬度等力学性能得到显著提升，硬度最高可达340HV；可使核电用锆材表面显微组织大大细化，显微硬度和强度大大提高，进而改善其表面综合机械性能。

说明书

技术领域

本发明提供一种在材料表面中获得高密度纳米孪晶的方法，尤其是在核电用锆材中获得高密度纳米孪晶的方法。该方法是使用脉冲激光表面强化的方法在核用锆合金材料表面具形成一定深度的改性层组织（由高密度纳米孪晶组成），属于材料表面处理及改性技术领域。

背景技术

锆合金具有较低的热中子吸收截面、并且锆及锆合金在许多有机酸、无机酸、强碱和熔融盐中具有优异的耐腐蚀表现以及其较好的综合力学性能。因此，锆合金常用作水冷核反应堆的堆芯结构材料，如燃料包壳、压力管、支架和孔道管等。随着核反应堆技术的不断发展，对锆合金包壳材料的性能提出了更高的要求，包括耐腐蚀性能、力学性能和辐照尺寸稳定性等。而锆合金的这些性能与其微观组织（如晶粒的尺寸、织构及第二相粒子的尺寸、分布、结构等）密切相关。大量的研究表明，获得均匀细小、取向随机的晶粒对提高核电用锆合金加工性能、减弱辐照生长等具有十分关键的作用。并且，核电用锆合金材料在核工业使用过程中，其失效往往由于表面率先失效而引起整体失效，因此需要对核电用锆合金材料进行表面强化处理。

纳米孪晶金属以其优异的力学性能和良好的导电性受到广泛关注。孪晶是金属材料中常见的结构,孪晶界可以有效地阻碍位错的运动,从而起到强化材料的作用传统金属结构材料中孪晶片层厚度在微米或亚微米尺度,这种孪晶结构及其界面与大角度晶界类似,对材料的强化有一定的效果，但当孪晶片层厚度降低至纳米量级（纳米孪晶）,材料的强度、硬度等力学性能得到显著提升,同时仍能够保持良好的韧性和导电性能。中国科学院金属研究所沈阳材料科学联合实验室卢磊等在《金属学报》（2010年11期1422-1427页）上的发表的“纳米孪晶金属材料”表明，具有高密度纳米孪晶结构的纯Cu具有高的强度和优良的导电性能。纳米孪晶金属优异的综合力学性能源于其独特的塑性变形机制。塑性变形过程中孪晶界可有效阻碍位错运动，具有和普通晶界相似的强化作用。同时孪晶界又可作为位错的滑移面吸收大量位错，与普通晶界相比孪晶界结构更加稳定，其过剩能仅为普通晶界的1/10。因此，纳米孪晶结构从能量上要比相同化成分的纳米晶体结构稳定很多，这种稳定的超细纳米孪晶结构的获得不仅是传统材料制备技术的突破，同时也为深入研究金属材料力学行为的纳米尺寸效应提供了可能。

激光技术在表面改性中的应用即利用高能激光束和材料表面之间的交互作用，使基体材料表面的显微组织与性能发生改变，从而改善材料表面的性能。这些性能包括材料的硬度、耐磨抗腐蚀、抗氧化疲劳等。具体技术有：激光表面相变硬化、激光表面冲击硬化、激光表面熔覆、激光表面合金化和激光表面非晶化等。目前，激光表面处理技术在铝镁合金及模具钢中得到很好的应用。如中国科学院金属研究所的王茂才等，发明了一种镁合金激光表面强化的修复方法（CN 1629352A）对镁合金的疏松、气孔、裂纹、缩孔等缺陷以及缺肉、尺寸超差等进行强化修复。然而，目前采用激光表面强化的方法对核电用锆合金进行处理的详细步骤及主要参数范围的研究报道很少，本发明将提供一种利用脉冲激光处理核电用锆合金材料使其表面获得高密度的纳米孪晶的方法步骤及主要参数范围。这个发明不仅操作方便、效率高，并且起到非常好的表面强化作用。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种在核电用锆材中获得高密度纳米孪晶的方法，通过采用脉冲激光设备对核用锆合金材料进行表面强化处理，最后形成具有一定深度的改性层组织（由高密度纳米孪晶组成），进而达到提高锆合金包壳材料表面的显微硬度和强度等力学性能的目的。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

(1) 工件的制备

首先利用线切割设备将核用Zr-2.5Nb合金样品制成尺寸符合工艺要求的工件，如尺寸为20mm×40mm×3mm的长方体块状工件；将工件依次经过金相水磨砂纸逐级打磨平滑光亮，如依次通过400#、800#、1000#、1500#、2000#和3000#型号的水磨砂纸将样品打磨光亮，然后在抛光液中进行电解抛光，抛光电压为20V，抛光温度为-40～-20℃，抛光时间为30～60s，电解抛光完成后将工件迅速取出，并分别用清水与无水乙醇清洗工件表面。最后将工件表面吹干，并不留水渍痕迹。抛光液可以为现有技术中的合适液体；本发明提供一种高氯酸、甲醇和乙二醇单丁醚混合液混合形成的抛光液，其体积比为：5%~12%的高氯酸，65%~80%的甲醇，10%~25%的乙二醇单丁醚。

(2) 工件的脉冲激光处理

将表面清洗处理后的工件（样品）装夹在配用的夹具上，放入脉冲激光设备的工作室内，并向工作室内通入惰性气体作为保护气体，如氩气、氦气等；启动脉冲激光设备，加载电压，对锆合金材料的表面进行激光表面强化处理。脉冲激光表面强化处理的主要参数可以根据工艺需要选择，其参数范围：激光功率20~600W，能量密度3~50J/mm²，脉冲宽度2~6ms，离焦量2~4mm，扫描速度5~25mm/s；取出经激光强化处理的样品，检验工件表面质量，适当将样品的表面机加平整。

本发明的有益效果：

本发明所提供的一种在核电用锆材中获得高密度纳米孪晶的方法，通过脉冲激光表面处理后的锆合金材料表面形成具有一定深度的改性层组织（由高密度纳米孪晶组成），且改性层深度（0.3~3mm）可通过调整激光处理参数进行有效控制,硬度最高可达340HV。本发明所提供的在核电用锆材中获得高密度纳米孪晶的方法，是在研究不同参数下对Zr-2.5Nb表面强化处理过程中的性能变化规律的基础上形成的，测试结果显示，本发明提供的表面强化处理方法符合Zr-2.5Nb材料的性能变化规律，可有效改善Zr-2.5Nb显微硬度及强度等力学性能，使其硬化层深度及组织更加细小均匀。强化处理过程操作方便，设备简单，经济实用，技术可靠，效率高，质量稳定，可实现较好的经济效益。

附图说明

图1为本发明实施例提供核电用锆合金表面改性层的超细晶组织电子显微照片；

图2为本发明实施例提供核电用锆合金表面改性层的纳米孪晶电子显微照片。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施方式，对本发明进行详细说明。

本发明提供了获得锆合金超硬表面改性层的方法，其特征在于包括如下步骤：

(1) 工件的制备

首先利用线切割设备将核用Zr-2.5Nb合金的样品制成尺寸符合工艺要求的工件，如20mm×40mm×3mm尺寸的工件，依次选用400#、800#、1000#、1500#、2000#和3000#的水磨砂纸将样品打磨光亮，再对工件进行电解抛光。抛光电压为20V，抛光温度为-40～-20℃，抛光时间为30～60s，电解抛光完成后将工件迅速取出，并分别用清水与无水乙醇清洗工件表面。最后将工件表面吹干，并不留水渍痕迹。抛光液可以为现有技术中的合适液体；本发明提供一种高氯酸、甲醇和乙二醇单丁醚混合得到的抛光液，其体积比为：5%~12%的高氯酸，65%~80%的甲醇，10%~25%的乙二醇单丁醚。

(2) 工件的脉冲激光处理

之后将表面清洗处理后的样品装夹在配用的夹具上，放入脉冲激光设备的工作室内，并向工作室内充入氩气为保护气体。启动脉冲激光设备，加载电压，对锆合金材料的表面进行脉冲激光强化处理。脉冲激光表面强化处理的主要参数范围：激光功率20~600W，能量密度3~50J/mm²，脉冲宽度2~6ms，离焦量2~4mm，扫描速度5~25mm/s；在这个参数范围内，均能实现本发明目的；

最后取出样品，检验工件表面质量，适当将样品的表面机加平整。通过脉冲激光表面处理后的核电用锆合金材料表面形成由高密度纳米孪晶组成的具有一定深度的改性层组织，且改性层深度为0.3~3mm，该深度可通过调整激光处理参数进行有效控制，硬度最高可达340HV。

实施例1|

选取线切割后尺寸为20mm×40mm×3mm的Zr-2.5Nb试样，首先依次选用400#、800#、1000#、1500#、2000#和3000#水磨砂纸将其打磨光亮，然后在70%甲醇+20%乙二醇单丁醚+10%高氯酸（体积比）的抛光液中进行电解抛光，抛光电压为20V，抛光温度为-30℃，抛光时间为30s。电解抛光完成后将工件迅速取出，并分别用清水与无水乙醇清洗工件表面。最后将工件表面吹干，并不留水渍痕迹。

将表面清洗处理后的样品装夹在专用的夹具上，放入脉冲激光设备的工作室的工位上，并向工作室内充入纯度为99.9%的氩气作为保护气体。启动脉冲激光设备，加载电压，对Zr-2.5Nb材料的表面进行脉冲激光表面强化处理。脉冲激光表面强化处理的主要参数范围：激光功率100W，能量密度20J/mm²，脉冲宽度2ms，离焦量2mm，扫描速度15mm/s；

经测试利用本发明表面强化处理方法处理后的Zr-2.5Nb表面形成具有一定深度的改性层组织，主要由高密度纳米孪晶组成，且改性层深度1.5mm，硬度达300HV。

实施例2|

选取线切割后尺寸为20mm×40mm×3mm的Zr-2.5Nb试样，首先依次选用400#、800#、1000#、1500#、2000#和3000#水磨砂纸将其打磨光亮，然后在72%甲醇+22%乙二醇单丁醚+6%高氯酸（体积比）的抛光液中进行电解抛光，抛光电压为20V，抛光温度为-40℃，抛光时间为40s。电解抛光完成后将工件迅速取出，并分别用清水与无水乙醇清洗工件表面。最后将工件表面吹干，并不留水渍痕迹。

将表面清洗处理后的样品装夹在专用的夹具上，放入脉冲激光设备的工作室的工位上，并向工作室内充入纯度为99.9%的氩气作为保护气体。启动脉冲激光设备，加载电压，对Zr-2.5Nb材料的表面进行脉冲激光表面强化处理。脉冲激光表面强化处理的主要参数范围：激光功率300W，能量密度30J/mm²，脉冲宽度4ms，离焦量3mm，扫描速度20mm/s；

经测试利用本发明表面强化处理方法处理后的Zr-2.5Nb表面形成具有一定深度的改性层组织，主要由高密度纳米孪晶组成，且改性层深度2mm，硬度达290HV。

实施例3

选取线切割后尺寸为20mm×40mm×3mm的Zr-2.5Nb试样，首先依次选用400#、800#、1000#、1500#、2000#和3000#水磨砂纸将其打磨光亮，然后在65%甲醇+23%乙二醇单丁醚+12%高氯酸（体积比）的抛光液中进行电解抛光，抛光电压为20V，抛光温度为-40℃，抛光时间为50s。电解抛光完成后将工件迅速取出，并分别用清水与无水乙醇清洗工件表面。最后将工件表面吹干，并不留水渍痕迹。

将表面清洗处理后的样品装夹在专用的夹具上，放入脉冲激光设备的工作室的工位上，并向工作室内充入纯度为99.9%的氩气作为保护气体。启动脉冲激光设备，加载电压，对Zr-2.5Nb材料的表面进行脉冲激光表面强化处理。脉冲激光表面强化处理的主要参数范围：激光功率400W，能量密度40J/mm²，脉冲宽度6ms，离焦量4mm，扫描速度20mm/s；

经测试利用本发明表面强化处理方法处理后的Zr-2.5Nb表面形成具有一定深度的改性层组织，主要由高密度纳米孪晶组成，且改性层深度2.8mm，硬度达320HV。