一種獲得鋯合金超硬表面改性層的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)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(qiáng)化的方法在鋯合金材料表面制備一定深度的改性層，進(jìn)而細(xì)化鋯合金材料的表層組織，提高其顯微硬度和強(qiáng)度等力學(xué)性能，屬于材料表面處理技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]鋯合金是以鋯為基體加入其他元素而構(gòu)成的有色合金，其在300°C?400°C的高溫高壓水和蒸汽中有良好的耐蝕性能、適中的力學(xué)性能和較低的原子熱中子吸收截面，對(duì)核燃料有良好的相容性，因此，鋯合金常用作水冷核反應(yīng)堆的堆芯結(jié)構(gòu)材料，如燃料包殼、壓力管、支架和孔道管等。隨著核反應(yīng)堆技術(shù)朝著提高燃料燃耗、反應(yīng)堆熱效率和安全可靠性，以及降低燃料循環(huán)成本方向發(fā)展，對(duì)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(xué)性能和輻照尺寸穩(wěn)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(gòu)及第二相粒子的尺寸、分布、結(jié)構(gòu)等)密切相關(guān)。為了順應(yīng)這種高燃耗及節(jié)能減排的趨勢(shì)，相關(guān)研究者做了很多努力，如上海核工程研究設(shè)計(jì)院的黃錦華等開(kāi)發(fā)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(xiàn)有技術(shù)的鋯合金相比，在高溫純水中具有更為優(yōu)異的耐腐蝕性能；田曉東等通過(guò)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(xì)小、取向隨機(jī)的晶粒對(duì)提高鋯合金加工性能、減弱輻照生長(zhǎng)等具有十分關(guān)鍵的作用。因此如何提高鋯合金的表面強(qiáng)度，細(xì)化均勻合金表面的顯微組織，提高合金的性能，進(jìn)而大大延長(zhǎng)其換料周期是至關(guān)重要的。鋯合金材料在核工業(yè)使用過(guò)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(duì)鋯合金材料進(jìn)行表面強(qiáng)化處理。
[0003]激光表面處理技術(shù)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(fā)生相變甚至熔化，在材料表面產(chǎn)生超高的溫度梯度，從而依靠向基體散熱而自身冷卻，導(dǎo)致極高的冷卻速度，由此引發(fā)相變、快速凝固、汽化和熱應(yīng)力等物理化學(xué)現(xiàn)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(shù)在鋁鎂合金及模具鋼中得到很好的應(yīng)用，達(dá)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(guò)程中，由于極高的溫度梯度，通過(guò)動(dòng)力學(xué)控制來(lái)提高形核率抑制晶粒長(zhǎng)大可以在材料表面獲得超細(xì)晶組織或納米組織，使其達(dá)到常規(guī)方法難以實(shí)現(xiàn)的表面改性效果。近年來(lái)許多研究者正開(kāi)展利用激光表面強(qiáng)化技術(shù)對(duì)各種合金和功能材料的研究。對(duì)于鋯合金，如山東大學(xué)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(yōu)異。陳科培等在《應(yīng)用激光》(2015年02期166-169頁(yè))上發(fā)表的“鋯合金表面激光熔覆TiN/ZrN復(fù)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(fù)合陶瓷涂層，無(wú)裂紋，表面質(zhì)量好，且涂層硬度高達(dá)863HV。然而，迄今為止，目前采用激光表面強(qiáng)化的方法對(duì)鋯合金進(jìn)行處理的詳細(xì)步驟及主要參數(shù)范圍還尚未見(jiàn)報(bào)道，本發(fā)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(shù)范圍，經(jīng)濟(jì)實(shí)用、效率高且性能良好的表面強(qiáng)化工藝。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供了一種獲得鋯合金超硬表面改性層的方法，以實(shí)現(xiàn)通過(guò)采用脈沖激光設(shè)備對(duì)鋯合金材料進(jìn)行表面強(qiáng)化處理得到一定深度的超細(xì)晶組織，進(jìn)而提高鋯合金包殼材料表面的顯微硬度和強(qiáng)度等力學(xué)性能的目的。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)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(jìn)行電解拋光，拋光溫度為-20?-30°C，拋光電壓為20 V；拋光液可以為現(xiàn)有技術(shù)中的合適液體;本發(fā)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(guò)程中磁轉(zhuǎn)子緩慢攪拌，同時(shí)不斷晃動(dòng)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(méi)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(shè)備的工作室內(nèi)，并向工作室內(nèi)通入保護(hù)氣體;如氬氣、氦氣等；
啟動(dòng)脈沖激光設(shè)備，加載電壓，對(duì)鋯合金材料的表面進(jìn)行激光表面強(qiáng)化處理。脈沖激光表面強(qiáng)化處理的主要參數(shù)范圍:激光功率25-500 W，能量密度3-50 J/mm2，脈沖寬度2_5ms，離焦量2-5 mm，掃描速度6-20 mm/s；
取出經(jīng)激光強(qiáng)化處理的樣品，檢驗(yàn)工件表面質(zhì)量，需要時(shí)將樣品的表面機(jī)加平整。
[0006]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明所提供的一種獲得鋯合金超硬表面改性層的方法，通過(guò)脈沖激光表面處理后的鋯合金材料表面形成超細(xì)晶組織，其中納米孿晶尺寸小于100nm，改性層深度高達(dá)3 mm，為0.2?3mm，硬度高達(dá)250?365HV。本發(fā)明所提供的鋯合金材料獲得超硬表面改性層的方法，是在研究不同參數(shù)下對(duì)Zr702表面強(qiáng)化處理過(guò)程中的性能變化規(guī)律的基礎(chǔ)上形成的，測(cè)試結(jié)果顯示，本發(fā)明提供的表面強(qiáng)化處理方法符合Zr702材料的性能變化規(guī)律，可有效改善Zr702顯微硬度及強(qiáng)度等力學(xué)性能，使其硬化層深度及組織更加細(xì)小均勻。強(qiáng)化處理過(guò)程操作方便，設(shè)備簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，技術(shù)可靠，效率高，質(zhì)量穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)較好的經(jīng)濟(jì)效益。
[0007]
【附圖說(shuō)明】
[0008]圖1為實(shí)施例鋯合金表面改性層的超細(xì)晶組織電子顯微照片；
圖2為實(shí)施例鋯合金表面改性層的納米孿晶電子顯微照片。
[0009]
【具體實(shí)施方式】
[0010]以下將結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0011]本發(fā)明提供了獲得鋯合金超硬表面改性層的方法，其特征在于包括如下步驟:
首先選用砂紙將樣品打磨光亮，達(dá)到工藝要求的光亮度、光潔度或清潔度;具體依次從粒度較粗的400#開(kāi)始，一直到粒度較細(xì)的3000#，即依次用400#、800#、1000#、1500#、2000#和3000#砂紙將樣品打磨光亮;然后在拋光液中進(jìn)行電解拋光，拋光溫度為-20?-30°C，拋光電壓為20 V;拋光液可以為現(xiàn)有技術(shù)中的合適液體;本發(fā)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(guò)程中磁轉(zhuǎn)子緩慢攪拌，同時(shí)不斷晃動(dòng)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(méi)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(shè)備的工作室內(nèi)，并向工作室內(nèi)充入惰性氣體為保護(hù)氣體，如氬氣、氦氣等；
啟動(dòng)脈沖激光設(shè)備，加載電壓，對(duì)鋯合金材料的表面進(jìn)行脈沖激光強(qiáng)化處理。脈沖激光表面強(qiáng)化處理的主要參數(shù)范圍:激光功率25-500 W，能量密度3-50 J/mm2，脈沖寬度2_5ms，離焦量2-5 mm，掃描速度6-20 mm/s，在這