CN102925853A - 核级泵泵轴用超高氮奥氏体相扩散硬化覆盖层 - Google Patents
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Abstract
一种核级泵泵轴用超高氮奥氏体相扩散硬化覆盖层，属于材料表面工程领域。包括以Fe-Cr-Ni奥氏体不锈钢制造的核一、二、三级泵的泵轴，具有耐磨、抗蚀、抗疲劳和抗辐照性能的泵轴表面的硬化覆盖层及过渡层。特点：利用等离子体基渗氮方法，在250~450 °C下制备超高氮奥氏体相扩散硬化覆盖层，厚度为15~25 μm，表面粗糙度Ra低于0.5 μm，是泵轴制造的最后一道工序，硬化覆盖层由单一的超高氮奥氏体相组成，呈梯度分布的氮浓度峰值为20~35 at.%，硬度为15~22 GPa，无孔隙和微裂纹，残余压应力高于2 GPa，优点：制备工艺简单，无需后续加工，无污染，性能优于目前核级泵泵轴用电镀铬覆盖层。
Description
技术领域
本发明涉及一种核级泵泵轴用超高氮奥氏体相扩散硬化覆盖层，属于材料表面工程领域。
背景技术
核电站的一、二、三回路以及其它核和非核辅助系统中，包括核一、二、三级泵的核级泵是核心的循环动力系统。如一回路的反应堆冷却剂泵，即核主泵，高、低压安全泵、上充泵；二回路凝结水系统的主给水泵、凝结水泵；三回路循环冷却水系统的循环冷却泵，核与非核辅助系统的安全壳喷淋泵、辅助给水泵、设备冷却水泵、废液输送泵，以及核岛重要水泵、常规岛冷却水泵、分离段疏水泵、辅助冷却水泵等。作为核电站“心脏”的核主泵，其功能是驱动核岛内高温、高压、高放射性水循环，将堆芯中核裂变释放的热能传递给蒸汽发生器，产生蒸汽推动汽轮机发电，是核电站中的关键装备。核级泵的设计宗旨是极大地提高其安全性，确保公共安全和社会稳定。核级泵的泵轴具有支承其它部件，传递运动和力的作用，承受高动压载荷的同时，抵抗各类特殊工质冲刷和腐蚀的长期作用，必须保证轴及部件的配合面、过流面的承载、耐磨、耐热、抗辐照等综合性能，具有足够的强度，高的耐磨、抗蚀、抗疲劳和抗辐照性能。泵轴表面出现磨损、腐蚀，及其变形将会降低轴上零件的运动精度，缩短使用寿命，泵轴的开裂则可能导致难以预料的灾难性事故。
目前，国内外核级泵泵轴及部件配合面的耐磨抗蚀防护涂层，主要是电镀铬覆盖层。电镀铬层具有较高的硬度，较低的摩擦系数和适宜的附着性，兼备相配合的可加工性与高表面完整性，且制备工艺简单可靠，成本低廉。然而，电镀工艺的三废排放，对环境污染和健康影响严重，世界各国均出台了许多相关法律法规对污染源进行控制，从根本上限制了电镀工艺的应用与发展。从涂层特性与应用方面分析，电镀铬层仍然存在厚度分布不均匀、硬度偏低、组织不致密，以及覆盖层与基体结合性能有限等问题，电镀铬层的硬度在温度升高时也会因其内应力的释放而迅速降低，电镀铬层内微裂纹虽然得到严格控制，但是穿透性裂纹的产生，将导致腐蚀介质从表面渗透至界面而腐蚀基体，造成电镀铬层表面出现锈斑，甚至发生镀层剥落。
随着近年来涂层技术的不断发展，国内外大量的研究工作试图对不同工业部门应用的电镀铬层进行替代。2001年，Smith等的美国专利《Spray coatings for suspension damper rods》（US Patent:6189663），介绍了一种热喷涂技术代替电镀铬工艺的方法，应用于汽车减震器和活塞杆的表面处理，替代电镀铬的耐磨抗蚀覆盖层。2007年，陈宝清等发明的实用新型专利《用双向离子镀磁控溅射代替电镀设备的炉体》（CN2903094），介绍了一种用双向离子镀磁控溅射沉积代替电镀的涂层装置炉体。然而，等离子体喷涂、超音速火焰喷涂，以及各类物理气相沉积等涂层技术，均存在涂层与基体结合性能有限，可加工性不良的缺点。
常规的等离子体热化学扩散处理技术与电镀技术用于金属材料表面耐磨抗蚀防护方面的竞争由来已久，前者同样在包括核电站关键装备表面强化中已经取得应用。1985年，Zhang和Bell在Surface Engineering上发表《Structure and corrosion resistance of plasmanitrided stainless steel》论文，报告了400 °C等离子体低温渗氮AISI 316奥氏体不锈钢工艺，降低的工艺温度在奥氏体不锈钢表面形成了一种具有耐磨抗蚀复合性能的含氮奥氏体硬化相覆盖层。1989年，Hertz等的美国专利《Stainless steel tubular element with improved wear resistance》（US Patent: 4873117），介绍了采用常规等离子体渗氮技术改性核反应堆控制杆包壳的工艺，提高其耐磨损性能。法国NITRUVID公司利用等离子体低温渗氮工艺，处理的燃料棒控制杆已经成功应用于核反应堆中。但是，这些等离子体热化学扩散处理表面层的硬度多在10~12 GPa范围，尽管与电镀铬层相当，因离子轰击造成的表面粗糙度精度恶化，则需要后续精密加工，加工损失了外表面硬化覆盖层的表面，难以满足核级泵泵轴性能要求。
1995年以来，Lei等在Journal of Vacuum Science and Technology A，Surface and Coating Technology和ASME Transactions Journal of Tribology等发表《Plasma source ion nitriding: a new low-temperature, low-pressure nitriding approach》, 《Plasma-based low-energy ion implantation for low-temperature surface engineering》, 《Transition of wear mechanisms of plasma source nitrided AISI 316austenitic stainless steel against ceramic counterface》等论文，分别报道了利用等离子体基低能氮离子注入技术和等离子体源渗氮技术，在250-450 °C下处理各类Fe-Cr-Ni奥氏体不锈钢，获得了氮浓度呈梯度分布，峰值浓度为20~35 at.%，具有单一的超高氮奥氏体相结构的扩散硬化层。等离子体基低能氮离子注入1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢的改性层，硬度为22 GPa，采用销—盘式磨损试验机在真空润滑油携带粒度2 μm的Cr2O3磨料条件下，改性层的磨损量相对于原始不锈钢降低了1~2个数量级，改性层在1% NaCl溶液中表现出无孔蚀发生的优异抗局部腐蚀性能，在0.5 mol/l H2SO4溶液中具有与原始不锈钢相当的耐均匀腐蚀性能。等离子体源渗氮AISI 316L奥氏体不锈钢的改性层，硬度为16 GPa，采用球-盘式磨损试验机对磨Si3N4陶瓷球，干摩擦条件下，耐磨性显著提高，改性层的磨损机制从原始不锈钢的粘着磨损转变为氧化磨损，在pH值为8.4的硼酸溶液中，具有优于原始不锈钢的抗蚀性能。2010年，雷明凯等的中国发明专利《大面积直流脉冲等离子体基低能离子注入装置》（专利号200710101587.5），介绍的低成本，大面积的均匀等离子体基低能离子注入装置，可进一步满足大型零部件工业化生产的需求。利用等离子体基低能氮离子注入技术，以及等离子体源渗氮技术改性Fe-Cr-Ni奥氏体不锈钢，表面形成的超高氮奥氏体相扩散硬化覆盖层，显著提高了原始不锈钢的承载能力和耐磨抗蚀性能，为核级泵泵轴表面制备硬化覆盖层提供了条件。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有核级泵泵轴电镀铬覆盖层存在的以下不足：（1）电镀铬工艺过程的三废排放，对环境造成污染，对人体造成危害；（2）电镀铬层厚度分布不均匀，表面粗糙度精度低，需要后续机加工；（3）电镀铬层仍然硬度偏低，结构不致密，镀层与基体结合性能有限。提供一种核级泵泵轴用超高氮奥氏体相硬化覆盖层，该硬化覆盖层具备高硬度，良好的耐磨抗蚀性能，完全满足核级泵泵轴对耐磨、抗蚀、抗疲劳和抗辐照性能的要求，并且该硬化覆盖层的制备工艺简单，作为最终的表面强化工艺，无需后续加工，是泵轴制造的最后一道工序，制备工艺无三废排放、无环境污染和健康损害，覆盖层性能优于目前核级泵泵轴用电镀铬覆盖层，有利于保证核级泵长期运行的安全可靠性。
本发明所采用的技术解决方案为：一种核级泵泵轴用超高氮奥氏体相扩散硬化覆盖层，包括以Fe-Cr-Ni奥氏体不锈钢制造的核一、二、三级泵的泵轴（1），具有耐磨、抗蚀、抗疲劳和抗辐照性能的泵轴（1）表面的硬化覆盖层（2）及过渡层（3），其特征在于：利用等离子体基渗氮方法，在250~450 °C下制备超高氮奥氏体相扩散硬化覆盖层（2），厚度为15~25 μm，表面粗糙度Ra低于0.5 μm。
所述的核级泵泵轴用超高氮奥氏体相扩散硬化覆盖层，其特征在于：所述的等离子体基渗氮方法采用等离子体基低能氮离子注入方法或等离子体源渗氮方法。
所述的核级泵泵轴用超高氮奥氏体相扩散硬化覆盖层，其特征在于：所述的硬化覆盖层通过氮注入及热扩散的复合传质机制形成，呈梯度分布的氮浓度峰值为20~35 at.%，具有无CrN等第二相析出的、单一的超高氮过饱和的奥氏体相组织，硬度为15~22 GPa，满足核级泵泵轴对表面硬化与耐磨、抗蚀及抗辐照性能的要求。
所述的核级泵泵轴用超高氮奥氏体相扩散硬化覆盖层，其特征在于：所述的硬化覆盖层表面无孔隙和微裂纹，与奥氏体不锈钢基体间无界面，残余压应力高于2 GPa，满足核级泵泵轴对覆盖层结合强度与耐磨及抗疲劳性能的要求。
本发明的优点在于：（1）本发明提出的核级泵泵轴用超高氮奥氏体相硬化覆盖层是在真空条件下制备的，没有三废排出，无需三废治理，对环境无污染，对人体无损害；（2）制备工艺简单，成本低廉，作为最终的表面强化工艺，无需后续加工；（3）本发明提出的核级泵泵轴用超高氮奥氏体相硬化覆盖层，显微硬度达15~22 GPa，而电镀铬层的显微硬度仅为8~12 GPa，组织致密，无孔隙和微裂纹，耐磨抗蚀性能显著提高，由于超高氮奥氏体相硬化覆盖层是通过氮的注入和热扩散过程形成的，不存在电镀铬层与基体的膜基结合强度问题，满足核级泵泵轴对耐磨、抗蚀、抗疲劳和抗辐照性能的要求。
附图说明
图1为具有超高氮奥氏体相扩散硬化覆盖层的核级泵泵轴结构示意图。
图2为核级泵泵轴用超高氮奥氏体相扩散硬化覆盖层金相组织照片。
图3为核级泵泵轴用超高氮奥氏体相扩散硬化覆盖层氮浓度—深度分布曲线。
图4为核级泵泵轴用超高氮奥氏体相扩散硬化覆盖层X射线衍射图谱。
图5为核级泵泵轴用超高氮奥氏体相扩散硬化覆盖层显微硬度—深度分布曲线。
图6为核级泵泵轴用超高氮奥氏体相扩散硬化覆盖层在pH=8.4硼酸溶液中极化曲线。
下面结合附图详细说明：
图1中，1—以Fe-Cr-Ni奥氏体不锈钢制造的核级泵泵轴，2—核级泵泵轴用超高氮奥氏体相扩散硬化覆盖层，3—硬化覆盖层与泵轴基体间的过渡层。
由图2可见，在Fe-Cr-Ni奥氏体不锈钢基体表面，获得了组织单一、连续致密、无孔隙和微裂纹，且与基体间存在明显过渡层的超高氮奥氏体相扩散硬化覆盖层，厚度约为20 μm，并且经过Marble蚀显剂蚀显后呈白亮色。
由图3可见，核级泵泵轴用超高氮奥氏体相扩散硬化覆盖层，氮浓度—深度分布曲线呈现出覆盖层内部高氮浓度平台，在界面处逐渐下降为基体浓度的特征，超高氮奥氏体相的峰值氮浓度为27 at.%，氮原子的扩散深度为20 μm。
由图4可见，核级泵泵轴用超高氮奥氏体相扩散硬化覆盖层，是由单一的含氮奥氏体(γN)相组成，无CrN等第二相析出，该相是氮在奥氏体相中过饱和固溶体，仍保持面心立方结构。
由图5可见，核级泵泵轴用超高氮奥氏体相扩散硬化覆盖层，显微硬度最高值达16 GPa，而电镀铬覆盖层的显微硬度仅有8~12 GPa，硬化层深度为20 μm，满足核级泵泵轴对表面硬化与耐磨性能的要求。
由图6可见，核级泵泵轴用超高氮奥氏体相扩散硬化覆盖层，在pH=8.4硼酸溶液的自腐蚀电位为-0.225 V（SEM），维钝电流密度为10-7~10-5 A/cm2，较电镀铬层显著改善，满足核级泵泵轴对抗蚀及抗辐照性能的要求。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步说明本发明的细节：
实施例1
采用等离子体源渗氮技术处理AISI 304奥氏体不锈钢核主泵泵轴，其具体工艺参数和步骤如下：
将核主泵泵轴表面进行清洗，采用防渗层防护非硬化表面，暴露需要扩散硬化的部分表面后，将泵轴置于等离子体源渗氮装置工件台上，关闭真空室，抽真空至本底真空1.5×10-1 Pa。通入工作气体氨气，工作气压维持300 Pa，金属屏上施加800 V脉冲负偏压，频率为1kHz，产生直流脉冲等离子体。渗氮温度为450 °C，保温6小时，结束处理后关闭系统，随炉冷却至室温，打开真空室，取出核主泵泵轴。经检测，采用等离子体源渗氮技术处理后的泵轴，获得的超高氮奥氏体相扩散硬化覆盖层厚度约为20 μm，峰值氮浓度达25 at.%，表面硬度为HV0.1 N 16 GPa，表面粗糙度Ra=0.3 μm，表面无孔隙和微裂纹，锤击实验后经光学显微镜观察无覆盖层起皮、脱落现象，产品性能优于电镀铬覆盖层，满足要求，可以替代电镀铬覆盖层。
实施例2
采用等离子体基低能氮离子注入技术处理1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢的主给水泵泵轴，其具体工艺参数和步骤如下：
将主给水泵泵轴表面进行清洗，局部防渗保护后置于工件台上，关闭真空室，抽真空至本底真空1.5×10-3 Pa，微波功率1.5 kW，产生电子回旋共振(ECR)微波等离子体，通过工作气体氮气，工作气压维持5×10-2 Pa，工件脉冲偏压-2.0 kV，渗氮温度为400 °C，氮离子束流密度为0.6 mA/cm2，处理4小时后，关闭系统，随炉冷却至室温，打开真空室，取出泵轴。经检测，采用等离子体基低能氮离子注入技术处理后的主给水泵泵轴，获得的超高氮奥氏体相扩散硬化覆盖层厚度约为12 μm，峰值氮浓度达30 at.%，表面硬度为HV0.1 N 22 GPa，表面粗糙度Ra=0.1 μm，表面无孔隙和微裂纹，锤击实验后光学显微镜观察无覆盖层起皮、脱落现象，产品性能优于电镀铬覆盖层，满足替代电镀覆盖层要求。
实施例3
采用直流脉冲等离子体基低能离子注入处理AISI 304奥氏体不锈钢的废液输送泵泵轴，其具体工艺参数和步骤如下：
将废液输送泵泵轴表面进行清洗，局部防渗保护后置于工件台上，关闭真空室，抽真空至5×10-3 Pa，金属屏上施加700 V脉冲负偏压，频率为1 kHz，占空比1：5，产生直流脉冲等离子体，工件偏压-2.0kV，占空比1：5，通过工作气体25% N2+75% H2，工作气压维持5×10-2 Pa，渗氮温度为420 °C，保温8小时，关闭系统，随炉冷却至室温，打开真空室，取出泵轴。经检测，采用直流脉冲等离子体基低能氮离子注入技术处理后的废液输送泵泵轴，获得的超高氮奥氏体相扩散硬化覆盖层厚度约为25 μm，峰值氮浓度达27 at.%，表面硬度为HV0.1 N 17 GPa，表面粗糙度Ra=0.4 μm，表面无孔隙和微裂纹，锤击实验后光学显微镜观察无覆盖层起皮、脱落现象，产品性能优于电镀铬覆盖层，满足替代电镀覆盖层要求。
Claims (4)
1.一种核级泵泵轴用超高氮奥氏体相扩散硬化覆盖层，包括以Fe-Cr-Ni奥氏体不锈钢制造的核一、二、三级泵的泵轴（1），具有耐磨、抗蚀、抗疲劳和抗辐照性能的泵轴（1）表面的硬化覆盖层（2）及过渡层（3），其特征在于：利用等离子体基渗氮方法，在250~450 °C下制备超高氮奥氏体相扩散硬化覆盖层（2），厚度为15~25 μm，表面粗糙度Ra低于0.5 μm。
2.根据权利要求1所述的核级泵泵轴用超高氮奥氏体相扩散硬化覆盖层，其特征在于：所述的等离子体基渗氮方法采用等离子体基低能氮离子注入方法或等离子体源渗氮方法。
3.根据权利要求1所述的核级泵泵轴用超高氮奥氏体相扩散硬化覆盖层，其特征在于：所述的硬化覆盖层通过氮注入及热扩散的复合传质机制形成，呈梯度分布的氮浓度峰值为20~35 at.%，具有无CrN等第二相析出的、单一的超高氮过饱和的奥氏体相组织，硬度为15~22 GPa。
4.根据权利要求1所述的核级泵泵轴用超高氮奥氏体相扩散硬化覆盖层，其特征在于：所述的硬化覆盖层表面无孔隙和微裂纹，与奥氏体不锈钢基体间无界面，残余压应力高于2 GPa。
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