一种获得锆合金超硬表面改性层的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种获得锆合金超硬表面改性层的方法，该方法是使用脉冲激光表面强化的方法在锆合金材料表面制备一定深度的改性层，进而细化锆合金材料的表层组织，提高其显微硬度和强度等力学性能，属于材料表面处理技术领域。
【背景技术】
[0002]锆合金是以锆为基体加入其他元素而构成的有色合金，其在300°C?400°C的高温高压水和蒸汽中有良好的耐蚀性能、适中的力学性能和较低的原子热中子吸收截面，对核燃料有良好的相容性，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。随着核反应堆技术朝着提高燃料燃耗、反应堆热效率和安全可靠性，以及降低燃料循环成本方向发展，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。为了顺应这种高燃耗及节能减排的趋势，相关研究者做了很多努力，如上海核工程研究设计院的黄锦华等开发了一种用于轻水堆较高燃耗下的锆合金材料(CN104745875A)，该锆合金与现有技术的锆合金相比，在高温纯水中具有更为优异的耐腐蚀性能；田晓东等通过在锆合金表面离子渗氧制备二氧化锆渗层(CN104818449A)，使其表面得到组织均匀致密的二氧化锆渗层，能够显著提高锆合金的表面硬度和耐蚀性能。大量的研究表明，获得均匀细小、取向随机的晶粒对提高锆合金加工性能、减弱辐照生长等具有十分关键的作用。因此如何提高锆合金的表面强度，细化均匀合金表面的显微组织，提高合金的性能，进而大大延长其换料周期是至关重要的。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，因此需要对锆合金材料进行表面强化处理。
[0003]激光表面处理技术是将高能量密度的激光束投射到金属材料表面，并采用高速扫描的方式，使材料表层迅速升温发生相变甚至熔化，在材料表面产生超高的温度梯度，从而依靠向基体散热而自身冷却，导致极高的冷却速度，由此引发相变、快速凝固、汽化和热应力等物理化学现象，从而在材料表层形成一定深度的改性层。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，达到提高其耐热、耐蚀及耐磨等性能。激光使材料表层快速升温和极速冷却的过程中，由于极高的温度梯度，通过动力学控制来提高形核率抑制晶粒长大可以在材料表面获得超细晶组织或纳米组织，使其达到常规方法难以实现的表面改性效果。近年来许多研究者正开展利用激光表面强化技术对各种合金和功能材料的研究。对于锆合金，如山东大学的李亚江等采用激光原位熔覆的方法在锆合金表面原位制备了镍基耐热耐磨涂层(CN103866319A)，耐磨涂层性能优异。陈科培等在《应用激光》(2015年02期166-169页)上发表的“锆合金表面激光熔覆TiN/ZrN复合陶瓷涂层的研究”，采用激光熔覆的方法在锆合金表面制得TiN/ZrN复合陶瓷涂层，无裂纹，表面质量好，且涂层硬度高达863HV。然而，迄今为止，目前采用激光表面强化的方法对锆合金进行处理的详细步骤及主要参数范围还尚未见报道，本发明将提供一种脉冲激光处理锆合金材料使表面获得超硬改性层的方法步骤及主要参数范围，经济实用、效率高且性能良好的表面强化工艺。
【发明内容】
[0004]本发明提供了一种获得锆合金超硬表面改性层的方法，以实现通过采用脉冲激光设备对锆合金材料进行表面强化处理得到一定深度的超细晶组织，进而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。
[0005]为实现上述目的，本发明提供如下技术方案:
首先依次选用400#、800#、1000#、1500#、2000#和3000#砂纸将样品打磨光亮，然后在抛光液中进行电解抛光，抛光温度为-20?-30°C，抛光电压为20 V；抛光液可以为现有技术中的合适液体;本发明提供一种甲醇、乙二醇单丁醚和高氯酸混合液的抛光液，其体积比为:60%—75%的甲醇，10%—25%的乙二醇单丁醚，8% — 15%的高氯酸。抛光过程中磁转子缓慢搅拌，同时不断晃动试样，20-30S后迅速将样品取出，用清水和/或乙醇依次清洗样品表面，最后吹干其表面，吹干后试样的表面没有水渍的痕迹；
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，并向工作室内通入保护气体;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范围:激光功率25-500 W，能量密度3-50 J/mm2，脉冲宽度2_5ms，离焦量2-5 mm，扫描速度6-20 mm/s；
取出经激光强化处理的样品，检验工件表面质量，需要时将样品的表面机加平整。
[0006]本发明的有益效果:本发明所提供的一种获得锆合金超硬表面改性层的方法，通过脉冲激光表面处理后的锆合金材料表面形成超细晶组织，其中纳米孪晶尺寸小于100nm，改性层深度高达3 mm，为0.2?3mm，硬度高达250?365HV。本发明所提供的锆合金材料获得超硬表面改性层的方法，是在研究不同参数下对Zr702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Zr702材料的性能变化规律，可有效改善Zr702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。
[0007]
【附图说明】
[0008]图1为实施例锆合金表面改性层的超细晶组织电子显微照片；
图2为实施例锆合金表面改性层的纳米孪晶电子显微照片。
[0009]
【具体实施方式】
[0010]以下将结合附图和【具体实施方式】，对本发明进行详细说明。
[0011]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:
首先选用砂纸将样品打磨光亮，达到工艺要求的光亮度、光洁度或清洁度;具体依次从粒度较粗的400#开始，一直到粒度较细的3000#，即依次用400#、800#、1000#、1500#、2000#和3000#砂纸将样品打磨光亮;然后在抛光液中进行电解抛光，抛光温度为-20?-30°C，抛光电压为20 V;抛光液可以为现有技术中的合适液体;本发明提供一种甲醇、乙二醇单丁醚和高氯酸混合液的抛光液，其体积比为:60%—75%的甲醇，10% — 25%的乙二醇单丁醚，8%—15%的高氯酸。抛光过程中磁转子缓慢搅拌，同时不断晃动试样，20-30S后迅速将样品取出，用清水和/或乙醇依次清洗样品表面，最后吹干其表面，吹干后试样的表面没有水渍的痕迹；
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，并向工作室内充入惰性气体为保护气体，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25-500 W，能量密度3-50 J/mm2，脉冲宽度2_5ms，离焦量2-5 mm，扫描速度6-20 mm/s，在这