CN103194718B - 一种抗高温腐蚀的锆合金管及其激光表面预氧化方法 - Google Patents

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杨胶溪
王欣
王荣山
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Abstract

本发明涉及锆合金材料领域，尤其一种抗高温腐蚀的锆合金管及其激光表面预氧化方法，其特征在于：采用连续激光热源对锆合金管外表面进行扫描，激光扫描时辅助O2与Ar的氧化性混合气体，然后对锆管进行热处理；采用波长范围808nm至10.6um的激光热源对锆管表面进行扫描实现预氧化，激光功率200-600瓦，激光扫描线速度400-600 mm/min，O2在氧化性Ar+O2混合气体中的体积比为70％-90％，混合气体流量5-15 L /min；对激光预氧化之后的锆管进行热处理，在真空热处理炉内加热至420±5℃保温3小时，然后冷却至280±5℃保温2小时，随后炉冷至室温。本发明的既能消除锆合金管轧制时产生的表面织构，又能在锆管表面产生致密的ZrO2预氧化薄膜，具有优异的抗高温腐蚀性能。

Description

一种抗高温腐蚀的锆合金管及其激光表面预氧化方法
技术领域
本发明涉及锆合金材料领域，尤其核电锆合金材料及其一种激光表面处理工艺。
背景技术
锆合金具有密度低、比强高、耐腐蚀、加工性能优异、热中子吸收截面低等一系列特点，被广泛用于核反应堆的压力管和燃料包壳。国际核动力技术向高燃耗、长燃料循环周期的发展，为了提高燃料元件的燃耗，达到降低核电成本及达到核动力堆使用要求的目的，这便要求作为燃料元件的包壳材料应当具有更加优异的耐腐蚀性。延长锆合金的工作寿命很大程度上受限于高温耐蚀性能的改善，这便要求锆合金在服役环境条件下具有更加优异的耐腐蚀性。随着我国核电事业的发展, 反应堆结构材料和燃料及其相应处理技术的国产化是必然趋势。
除了调节锆管合金元素含量及化学成分，优化材质本身并完善热处理工艺之外，锆管的表面处理技术也越来越引起研究开发者的关注。激光表面技术做为一种重要的表面工艺之一，因激光热源的特殊性，其工艺技术自身有许多独特的优势。本发明通过激光扫描锆合金表面时，辅助Ar+O2氧化性混合气体，既能消除锆合金管轧制时产生的织构，又能在锆管表面产生致密的ZrO2预氧化薄膜，该预氧化膜可阻挡锆合金管服役时氧氢的扩散，从而提高其在高温条件下的抗腐蚀性能。
发明内容
为锆合金管的抗高温腐蚀性能并延长核反应堆燃料循环周期，提供一种抗高温腐蚀的锆合金管及其激光表面预氧化方法，其特征在于：采用连续激光热源对锆合金管外表面进行扫描，激光扫描时辅助O2与Ar的氧化性混合气体，Zr与O2的冶金反应得到厚度2-5um致密的ZrO2预氧化薄膜，然后对锆管进行热处理，通过预氧化薄膜对锆合金基体的保护提高锆合金的抗高温腐蚀性能。
所述的一种抗高温腐蚀的锆合金管及其激光表面预氧化方法，其特征在于：采用波长范围808nm至10.6um的激光热源对锆管表面进行扫描实现预氧化，激光功率200-600瓦，激光扫描线速度400-600 mm/min，O2在氧化性Ar+O2混合气体中的体积比为70％-90％，混合气体流量5-15 L/min。
所述的一种抗高温腐蚀的锆合金管及其激光表面预氧化方法，其特征在于：对激光预氧化之后的锆管进行热处理，在真空热处理炉内加热至420±5℃保温3小时，然后冷却至280±5℃保温2小时，随后炉冷至室温。
所述的一种抗高温腐蚀的锆合金管及其激光表面预氧化方法，其特征在于：激光预氧化之后的锆合金管抗高温腐蚀，在360℃/18.6MPa /3.5ppmLi+ +1000ppm BO43-的高压缶中腐蚀3天，锆合金管氧化增重6-9mg /dm2。
本发明的效果体现在，在辅助Ar+O2氧化性混合气体条件下激光扫描锆合金表面完成锆合金氧化，既能消除锆合金管轧制时产生的表面织构，又能在锆管表面产生致密的ZrO2预氧化薄膜，该预氧化膜可阻挡锆合金管服役时氧氢的扩散，从而具有优异的抗高温腐蚀性能。
附图说明
图1是激光氧化示意图
图2是激光氧化后续热处理曲线图
1.Ar气体喷嘴 2.锆管 3.数控转台 4.激光束聚焦系统 5.Ar+O2气体喷嘴
具体实施方式
实施例1
（1）选取直径9.8 mm的Zr-1.0Nb合金管状材料，厚度0.6 mm，将锆管2安装于数控转台3上，并用丙酮清洗锆管表面；
（2）通过Ar+O2气体喷嘴5向锆管外表面输送流量为5 L/min的Ar+O2混合气体，O2在混合气体中的体积比为70％，通过Ar气体喷嘴1将Ar气送入锆管内孔，起到保护和冷却的作用，所使用的Ar和O2气体均为99.995％的高纯气体；
（3）设置数控转台的转速，使锆管外圆的旋转线速度达到600 mm/min，采用波长10.6 um的CO2激光热源对锆管表面进行扫描，通过激光束聚焦系统4得到直径2mm的光斑，激光功率600瓦，实现锆管表面的预氧化，ZrO2氧化膜的厚度约为2um；
（4）对激光预氧化之后的锆管进行热处理，在真空热处理炉内加热至420±5℃保温3小时，然后冷却至280±5℃保温2小时，随后炉冷至室温，实现锆管微观组织的改善以及激光热应力的去除，有关热处理曲线见图2；
（5）截取长度为20mm的激光预氧化锆管，然后放在360℃/18.6MPa/ 3.5ppmLi+ +1000ppm BO43-的高压缶中腐蚀3天，锆合金管氧化增重9.0 mg /dm2。
实施例2
（1）选取直径9.8mm的Zr-1.0Nb合金管状材料，厚度0.6mm，将锆管2安装于数控转台3上，并用丙酮清洗锆管表面；
（2）通过Ar+O2气体喷嘴5向锆管外表面输送流量为10L/min的Ar+O2混合气体，O2在混合气体中的体积比为80％，通过Ar气体喷嘴1将Ar气送入锆管内孔，起到保护和冷却的作用，所使用的Ar和O2气体均为99.995％的高纯气体；
（3）设置数控转台的转速，使锆管外圆的旋转线速度达到500mm/min，采用波长1.07 um的光纤激光热源对锆管表面进行扫描，通过激光束聚焦系统4得到直径3mm的光斑，激光功率400瓦，实现锆管表面的预氧化，ZrO2氧化膜的厚度约为3.5um；
（4）对激光预氧化之后的锆管进行热处理，在真空热处理炉内加热至420±5℃保温3小时，然后冷却至280±5℃保温2小时，随后炉冷至室温，实现锆管微观组织的改善以及激光热应力的去除，有关热处理曲线见图2；
（5）截取长度为20mm的激光预氧化锆管，然后放在360℃/18.6MPa/ 3.5ppmLi+ +1000ppm BO43-的高压缶中腐蚀3天，锆合金管氧化增重7.5mg /dm2。
实施例3
（1）选取直径9.8mm的Zr-1.0Nb合金管状材料，厚度0.6mm，将锆管2安装于数控转台3上，并用丙酮清洗锆管表面；
（2）通过Ar+O2气体喷嘴5向锆管外表面输送流量为15L/min的Ar+O2混合气体，O2在混合气体中的体积比为90％，通过Ar气体喷嘴1将Ar气送入锆管内孔，起到保护和冷却的作用，所使用的Ar和O2气体均为99.995％的高纯气体；
（3）设置数控转台的转速，使锆管外圆的旋转线速度达到400mm/min，采用波长808 nm的半导体激光热源对锆管表面进行扫描，通过激光束聚焦系统4得到1.5×1.5mm的方形光斑，激光功率200瓦，实现锆管表面的预氧化，ZrO2氧化膜的厚度约为5um；
（4）对激光预氧化之后的锆管进行热处理，在真空热处理炉内加热至420±5℃保温3小时，然后冷却至280±5℃保温2小时，随后炉冷至室温，实现锆管微观组织的改善以及激光热应力的去除，有关热处理曲线见图2；
（5）截取长度为20mm的激光预氧化锆管，然后放在360℃/18.6MPa/ 3.5ppmLi+ +1000ppm BO43-的高压缶中腐蚀3天，锆合金管氧化增重6.0 mg /dm2。

Claims (1)

1.一种抗高温腐蚀的锆合金管及其激光表面预氧化方法，其特征在于：采用连续激光热源对锆合金管外表面进行扫描，激光扫描时辅助O2与Ar的氧化性混合气体，然后对锆管进行热处理；
采用波长范围808nm至10.6um的激光热源对锆管表面进行扫描实现预氧化，激光功率200-600瓦，激光扫描线速度400-600 mm/min，O2在氧化性Ar+O2混合气体中的体积比为70％-90％，混合气体流量5-15 L/min；
对激光预氧化之后的锆管进行热处理，在真空热处理炉内加热至420±5℃保温3小时，然后冷却至280±5℃保温2小时，随后炉冷至室温。
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