一種鋯合金包殼材料表面納米結構的制備方法
【專利說明】
[0001]技術領域:
本發明涉及一種錯合金包殼材料表面納米結構的制備方法，屬于材料表面處理和改性技術領域；該方法是使用脈沖電子束的方法在鋯合金包殼材料表面制備納米結構層，進而細化包殼材料的表層組織，提高其顯微硬度和強度等力學性能。
[0002]【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°C?400°C的高溫高壓水和蒸汽中有良好的耐蝕性能、適中的力學性能和較低的熱中子吸收截面，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。大量的研究表明，獲得均勻細小、取向隨機的晶粒則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。鋯合金包殼材料在使用過程中，其失效往往由于表面率先失效而引起整個失效，因此需要對鋯合金包殼材料進行表面強化處理。
[0003]電子束(Electron Beam)表面處理技術是將高能量密度的電子束轟擊到金屬表面，并米用高速掃描的方式，使電子束能量均勾地分布于金屬表面。電子束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、耐磨等性能。脈沖電子束通過將材料快速加熱使材料的表面達到熔化溫度后再進行急劇冷卻，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納米結構，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電子束表面強化技術對各種合金和功能材料的研究。然而，目前采用電子束表面強化的方法對鋯合金進行改性處理的詳細步驟及主要參數范圍還尚未見報道，本發明將提供一種電子束處理鋯合金包殼材料表面制備納米結構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。
[0004]
【發明內容】
:
本發明提供了一種鋯合金包殼材料表面納米結構的制備方法，以實現通過采用電子束設備對鋯合金包殼材料進行表面強化處理得到均勻的納米結構組織，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。
[0005]為實現上述目的，本發明提供如下技術方案:一種鋯合金包殼材料表面納米結構的制備方法，其特征在于包括以下步驟:
(1)工件的準備
首先用砂紙將鋯合金樣品打磨光亮，然后在拋光液中進行電解拋光，拋光溫度為-20?-30°C，拋光電壓為20 V ;拋光20-30S后將樣品取出，用清水和乙醇依次清洗樣品表面，最后吹干其表面；
(2)工件的裝掛將表面清洗處理后的鋯合金樣品裝在夾具上，放入真空室的工位上，抽真空，直至真空室的真空度P < 6X 10 3 Pa，然后向真空室內充入惰性氣體作為保護氣體；
(3)電子束處理
啟動脈沖電子束設備，加載高壓，對錯合金包殼材料的表面進行電子束沖擊強化處理。脈沖電子束表面強化處理的主要參數范圍:能量密度l-6J/cm2，脈沖寬度1-10 μ s，脈沖次數5-100次;
(4)開真空室，取出經電子束沖擊強化處理的鋯合金包殼材料。
[0006]進一步的特征是:所述的拋光液，組分的體積比為:60% — 75%的甲醇，10% — 25%的乙二醇單丁醚，8% —18%的高氯酸。
[0007]打磨鋯合金樣品時，依次用400#、800#、1000#、1500#和3000#砂紙將樣品打磨光
[0008]通過脈沖電子束表面處理后的鋯合金包殼材料表面形成納米結構層的納米結構尺寸小于lOOnm，深度達到6 μm以上。
[0009]拋光過程中，對拋光液進行攪拌，對試樣不斷晃動。
[0010]在電子束設備抽真空后，所述的惰性保護氣體為氬氣。
[0011]本發明的有益效果:本發明所提供的鋯合金包殼材料表面納米結構的制備方法，是在研究Zr702表面強化處理過程中的性能變化規律的基礎上形成的，測試結果顯示，本發明提供的表面強化處理方法符合Zr702材料的性能變化規律，可有效改善Zr702顯微硬度及強度等力學性能，使其硬化層深度及組織更加細小均勻；本發明強化處理過程操作方便，設備簡單，經濟實用，技術可靠，效率高，質量穩定，可實現較好的經濟效益。
[0012]【附圖說明】:
圖1為實施例提供鋯合金表面的納米結構的電子顯微照片【具體實施方式】:
以下將結合附圖和【具體實施方式】，對本發明進行詳細說明。
[0013]本發明提供了一種鋯合金包殼材料表面納米結構的制備方法，其特征在于包括如下步驟:
首先用砂紙將鋯合金樣品打磨光亮，達到工藝要求的光亮度或清潔度；具體可以依次從粒度較粗的400#開始，一直到粒度較細的3000#，即依次用400#、800#、1000#、1500#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°C，拋光電壓為20 V ;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%-18%的高氯酸。拋光過程中，最好對拋光液進行攪拌，本發明是采用磁轉子緩慢轉動來攪拌拋光液，對試樣也最好不斷晃動，拋光20-30S后迅速將樣品取出，用清水和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。本發明在拋光過程中，磁轉子緩慢轉動起攪拌混勻拋光液作用，還可以帶走樣品被拋下來的金屬肩，使其不至于集中在樣品附近，避免樣品表面吸附，影響拋光效果。
[0014]將表面清洗處理后的樣品裝在夾具上，放入真空室的工位上，抽真空，直至真空室的真空度？ < 6X10 3 Pa，然后向真空室內充入惰性氣體作為保護氣體，如氬氣、氦氣等；
啟動脈沖電子束設備，加載高壓，對錯合金包殼材料的表面進行電子束沖擊強化處理。脈沖電子束表面強化處理的主要參數范圍:能量密度l-6J/cm2，脈沖寬度1-10 μ s，脈沖次數5-100次，在這個參數范圍內，均能實現本發明目的；
開真空室，取出經電子束沖擊強化處理的鋯合金包殼材料；檢查工件表面質量，通過脈沖電子束表面處理后的錯合金包殼材料表面形成納米結構層的納米結構尺寸小于lOOnm，深度達到6μηι以上。
[0015]實施例:
選取制備的20mmX30mm的Zr702試樣，首先依次選用400#、800#、1000#、1500#和3000#砂紙將其打磨光亮，而后在70%甲醇+20%乙二醇單丁醚+10%高氯酸(體積比)的拋光液中進行電解拋光，拋光溫度為-30°C，拋光電壓為20 V。拋光過程中磁轉子緩慢攪拌，同時不斷晃動試樣，30s后迅速將樣品取出，用清水和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。將表面清洗吹干處理后的樣品裝在專用的夾具上，放入真空室的工位上，抽真空，直至真空室的真空度5.0X 10 3 Pa，關閉真空閥，然后向真空室內充入純度為99.9%的氬氣作為保護氣體直到3.0X 104Pa。啟動脈沖電子束設備，加載高壓，對Zr702材料的表面進行電子束沖擊強化處理。脈沖電子束表面強化處理的主要參數范圍:能量密度3-6J/cm2，脈沖寬度1.5 μ s，脈沖次數20次。
[0016]經測試利用本發明強化處理方法處理的Zr702表面形成納米結構層的納米結構尺寸小于lOOnm，深度達到6 μπι以上，硬度可達260-280HV。
【主權項】
1.一種錯合金包殼材料表面納米結構的制備方法，其特征在于包括以下步驟: (1)工件的準備 首先用砂紙將鋯合金樣品打磨光亮，然后在拋光液中進行電解拋光，拋光溫度為-20?-30°C，拋光電壓為20 V ;拋光20-30S后將樣品取出，用清水和乙醇依次清洗樣品表面，最后吹干其表面； (2)工件的裝掛 將表面清洗處理后的鋯合金樣品裝在夾具上，放入真空室的工位上，抽真空，直至真空室的真空度P < 6X 10 3 Pa，然后向真空室內充入惰性氣體作為保護氣體； (3)電子束處理 啟動脈沖電子束設備，加載高壓，對錯合金包殼材料的表面進行電子束沖擊強化處理； 脈沖電子束表面強化處理的主要參數范圍:能量密度l-6J/cm2，脈沖寬度1-10 μ s，脈沖次數5-100次； (4)開真空室，取出經電子束沖擊強化處理的鋯合金包殼材料。2.根據權利要求1所述的錯合金包殼材料表面納米結構的制備方法，其特征在于:所述的拋光液，組分的體積比為:60% — 75%的甲醇，10% — 25%的乙二醇單丁醚，8% —18%的高氯酸。3.根據權利要求1或2所述的錯合金包殼材料表面納米結構的制備方法，其特征在于:依次用400#、800#、1000#、1500#和3000#砂紙將樣品打磨光亮。4.根據權利要求1或2所述的錯合金包殼材料表面納米結構的制備方法，其特征在于:通過脈沖電子束表面處理后的鋯合金包殼材料表面形成納米結構層的納米結構尺寸小于lOOnm，深度達到6 μ m以上。5.根據權利要求1或2所述的錯合金包殼材料表面納米結構的制備方法，其特征在于:拋光過程中，對拋光液進行攪拌，對試樣不斷晃動。6.根據權利要求1或2所述的錯合金包殼材料表面納米結構的制備方法，其特征在于:在電子束設備抽真空后，所述的惰性保護氣體為氬氣。
【專利摘要】本發明提供了一種鋯合金包殼材料表面納米結構的制備方法。該方法包括以下步驟：將鋯合金包殼材料表面清洗處理后裝在夾具上，放入真空室的工位上，真空室的真空度P＜6×10-3？Pa，充入氬氣作為保護氣體；啟動脈沖電子束設備，加載高壓，對鋯合金表面進行電子束沖擊強化處理；然后打開真空室，檢驗工件表面質量。本發明技術方案在鋯合金表面所形成的納米層的納米結構尺寸小于100nm，深度達到6μm？以上。通過本發明所提供的電子束表面強化處理鋯合金表面，可使其顯微組織大大細化，顯微硬度和強度大大提高，從而改善其綜合機械性能，具有操作方便、設備簡單、經濟實用、技術可靠、效率高、質量穩定等優點。
【IPC分類】C22F3/00
【公開號】CN105256264
【申請號】CN201510744928
【發明人】柴林江, 陳寶鳳, 王姝儼, 周志明, 胡建軍, 黃偉九
【申請人】重慶理工大學
【公開日】2016年1月20日
【申請日】2015年11月5日