CN104818449A - 一种锆或锆合金表面离子渗氧制备二氧化锆渗层的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种锆或锆合金表面离子渗氧制备二氧化锆渗层的方法，该方法为：一、对锆或锆合金表面进行打磨处理，超声清洗及水洗后烘干；二、将锆或锆合金置于离子氮化炉中，抽真空至炉内气压不大于10Pa，然后向离子氮化炉内通入氩气，在炉内气压不低于20Pa的条件下对锆或锆合金表面进行离子轰击清洗，再向离子氮化炉中通入空气或氧气，对离子轰击清洗后的锆或锆合金表面进行离子渗氧处理，在锆或锆合金表面得到二氧化锆渗层。本发明通过对离子轰击清洗后的锆或锆合金表面进行渗氧处理，在锆或锆合金表面得到组织均匀致密的二氧化锆渗层，且该二氧化锆渗层的生长速度快，能够显著提高锆或锆合金的表面硬度和耐腐蚀性能。

Description

一种锆或锆合金表面离子渗氧制备二氧化锆渗层的方法
技术领域
本发明属于材料表面化学热处理技术领域，具体涉及一种锆或锆合金表面离子渗氧制备二氧化锆渗层的方法。
背景技术
锆及锆合金具有热中子吸收截面小，导热性能好等优点，因此在核工业领域中被广泛用作核动力反应堆燃料元件包壳及其他堆内构件，在化工领域中被用做换热器反应容器和腐蚀介质管道等。但是，锆及锆合金的硬度低、耐磨性差，在锆及锆合金表面生成的二氧化锆渗层具有增强锆及锆合金表面硬度和耐磨性的作用。现有技术中通过热氧化(专利号CN101925681A)或阳极氧化(专利号CN101994144A)的方法可在锆表面制备得到二氧化锆渗层，但上述两种方法制备二氧化锆渗层的速度较慢，且二氧化锆渗层的组织致密性仍有待提高，因此，探索在锆及锆合金表面制备生长速度快、组织致密的二氧化锆渗层的方法，仍是锆及锆合金使用中的重要研究内容。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种锆或锆合金表面离子渗氧制备二氧化锆渗层的方法，该方法制备二氧化锆渗层的生长速度快，能够显著提高锆或锆合金的表面硬度和耐腐蚀性能。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种锆或锆合金表面离子渗氧制备二氧化锆渗层的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、对锆或锆合金表面进行打磨处理，然后超声清洗打磨后的锆或锆合金，水洗后烘干；
步骤二、将步骤一中烘干后的锆或锆合金置于离子氮化炉中，抽真空至炉内气压不大于10Pa，然后向抽真空后的离子氮化炉内通入氩气，在炉内气压不低于20Pa的条件下对锆或锆合金表面进行离子轰击清洗，离子轰击清洗后向所述离子氮化炉中通入空气或氧气，再将炉内温度升至400℃～900℃，对离子轰击清洗后的锆或锆合金表面进行离子渗氧处理，随炉冷却至室温后在锆或锆合金表面得到二氧化锆渗层；所述离子渗氧处理的时间为60min～300min。
上述的一种锆或锆合金表面离子渗氧制备二氧化锆渗层的方法，其特征在于，步骤二中所述离子轰击清洗的时间为20min～40min。
上述的一种锆或锆合金表面离子渗氧制备二氧化锆渗层的方法，其特征在于，步骤二中所述空气或氧气的流量为0.01L/min～0.1L/min。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明的方法通过对离子轰击清洗后的锆或锆合金表面进行渗氧处理，在锆或锆合金表面得到组织均匀致密的二氧化锆渗层，且该二氧化锆渗层的生长速度快，能够显著提高锆或锆合金的表面硬度和耐腐蚀性能。
2、本发明的方法具有设备简单，操作方便，对基体形状适应性强，二氧化锆渗层生长速度快且厚度均匀的特点。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的二氧化锆渗层的截面背散射电子像及元素线扫描曲线。
图2为本发明实施例1制备的二氧化锆渗层的XRD图谱。
具体实施方式
实施例1
本实施例包括以下步骤：
步骤一、对锆合金表面进行打磨处理，然后超声清洗打磨后的锆合金，水洗后烘干；所述锆合金为Zr-3合金，所述超声清洗的时间为30min；
步骤二、将步骤一中烘干后的锆或锆合金置于离子氮化炉中，抽真空至炉内气压不大于10Pa，然后向抽真空后的离子氮化炉内通入氩气，在炉内气压不低于20Pa的条件下对锆或锆合金表面进行离子轰击清洗，离子轰击清洗后向所述离子氮化炉中通入空气，再将炉内温度升至650℃，对离子轰击清洗后的锆合金表面进行离子渗氧处理，随炉冷却至室温后在锆合金表面得到二氧化锆渗层；所述离子轰击清洗的时间为30min，所述离子渗氧处理的时间为180min；所述二氧化锆渗层的厚度约为10μm，所述空气的流量为0.05L/min。
从图1可以看出，本实施例在锆合金表面制备的二氧化锆渗层组织致密，厚度均匀，且与锆合金基体结合紧密；从图2可以看出，本实施例在锆合金表面制备的渗层的成分为ZrO2，渗层表面显微硬度达到1520HV0.2，较基体硬度(200HV0.2)显著提高，对本实施例离子渗氧处理后的锆合金进行耐腐蚀试验，结果表明在质量浓度为25％的HCl溶液中浸泡30天后样品无腐蚀发生，具有优良的耐腐蚀性能。
实施例2
本实施例包括以下步骤：
步骤一、对锆表面进行打磨处理，然后超声清洗打磨后的锆，水洗后烘干；所述锆为质量纯度不低于99％的纯锆，所述超声清洗的时间为35min；
步骤二、将步骤一中烘干后的锆或锆合金置于离子氮化炉中，抽真空至炉内气压不大于10Pa，然后向抽真空后的离子氮化炉内通入氩气，在炉内气压不低于20Pa的条件下对锆或锆合金表面进行离子轰击清洗，离子轰击清洗后向所述离子氮化炉中通入空气，再将炉内温度升至400℃，对离子轰击清洗后的锆表面进行离子渗氧处理，随炉冷却至室温后在锆表面得到二氧化锆渗层；所述离子轰击清洗的时间为40min，所述离子渗氧处理的时间为60min；所述二氧化锆渗层的厚度约为2μm，所述空气的流量为0.01L/min。
本实施例在锆表面制备的二氧化锆渗层组织致密，厚度均匀，且与锆基体结合紧密；本实施例在锆合金表面制备的渗层由ZrO2相组成，渗层表面显微硬度达到1310HV0.2，较基体硬度(190HV0.2)显著提高，对本实施例离子渗氧处理后的锆合金进行耐腐蚀试验，结果表明在质量浓度为25％的HCl溶液中浸泡30天后样品无腐蚀发生，具有优良的耐腐蚀性能。
实施例3
本实施例包括以下步骤：
步骤一、对锆合金表面进行打磨处理，然后超声清洗打磨后的锆合金，水洗后烘干；所述锆合金为Zr-1合金，所述超声清洗的时间为40min；
步骤二、将步骤一中烘干后的锆或锆合金置于离子氮化炉中，抽真空至炉内气压不大于10Pa，然后向抽真空后的离子氮化炉内通入氩气，在炉内气压不低于20Pa的条件下对锆或锆合金表面进行离子轰击清洗，离子轰击清洗后向所述离子氮化炉中通入氧气，再将炉内温度升至900℃，对离子轰击清洗后的锆合金表面进行离子渗氧处理，随炉冷却至室温后在锆合金表面得到二氧化锆渗层；所述离子轰击清洗的时间为20min，所述离子渗氧处理的时间为300min；所述二氧化锆渗层的厚度约为40μm，所述氧气的流量为0.1L/min。
本实施例在锆合金表面制备的二氧化锆渗层组织致密，厚度均匀，且与锆合金基体结合紧密；本实施例在锆合金表面制备的渗层的成分为ZrO2，渗层表面显微硬度达到1750HV0.2，较基体硬度(200HV0.2)显著提高，对本实施例离子渗氧处理后的锆合金进行耐腐蚀试验，结果表明在质量浓度为25％的HCl溶液中浸泡30天后样品无腐蚀发生，具有优良的耐腐蚀性能。
实施例4
本实施例包括以下步骤：
步骤一、对锆合金表面进行打磨处理，然后超声清洗打磨后的锆合金，水洗后烘干；所述锆合金为Zr-1合金，所述超声清洗的时间为35min；
步骤二、将步骤一中烘干后的锆或锆合金置于离子氮化炉中，抽真空至炉内气压不大于10Pa，然后向抽真空后的离子氮化炉内通入氩气，在炉内气压不低于20Pa的条件下对锆或锆合金表面进行离子轰击清洗，离子轰击清洗后向所述离子氮化炉中通入空气，再将炉内温度升至800℃，对离子轰击清洗后的锆合金表面进行离子渗氧处理，随炉冷却至室温后在锆合金表面得到二氧化锆渗层；所述离子轰击清洗的时间为35min，所述离子渗氧处理的时间为240min；所述二氧化锆渗层的厚度约为23μm，所述空气的流量为0.08L/min。
本实施例在锆合金表面制备的二氧化锆渗层组织致密，厚度均匀，且与锆合金基体结合紧密；本实施例在锆合金表面制备的渗层的成分为ZrO2，渗层表面显微硬度达到1630HV0.2，较基体硬度(200HV0.2)显著提高，对本实施例离子渗氧处理后的锆合金进行耐腐蚀试验，结果表明在质量浓度为25％的HCl溶液中浸泡30天后样品无腐蚀发生，具有优良的耐腐蚀性能。
实施例5
本实施例包括以下步骤：
步骤一、对锆合金表面进行打磨处理，然后超声清洗打磨后的锆合金，水洗后烘干；所述锆合金为Zr-3合金，所述超声清洗的时间为25min；
步骤二、将步骤一中烘干后的锆或锆合金置于离子氮化炉中，抽真空至炉内气压不大于10Pa，然后向抽真空后的离子氮化炉内通入氩气，在炉内气压不低于20Pa的条件下对锆或锆合金表面进行离子轰击清洗，离子轰击清洗后向所述离子氮化炉中通入氧气，再将炉内温度升至500℃，对离子轰击清洗后的锆合金表面进行离子渗氧处理，随炉冷却至室温后在锆合金表面得到二氧化锆渗层；所述离子轰击清洗的时间为30min，所述离子渗氧处理的时间为120min；所述二氧化锆渗层的厚度约为5μm，所述氧气的流量为0.03L/min。
本实施例在锆合金表面制备的二氧化锆渗层组织致密，厚度均匀，且与锆合金基体结合紧密；本实施例在锆合金表面制备的渗层的成分为ZrO2，渗层表面显微硬度达到1430HV0.2，较基体硬度(200HV0.2)显著提高，对本实施例离子渗氧处理后的锆合金进行耐腐蚀试验，结果表明在质量浓度为25％的HCl溶液中浸泡30天后样品无腐蚀发生，具有优良的耐腐蚀性能。

Claims (3)

1.一种锆或锆合金表面离子渗氧制备二氧化锆渗层的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、对锆或锆合金表面进行打磨处理，然后超声清洗打磨后的锆或锆合金，水洗后烘干；
步骤二、将步骤一中烘干后的锆或锆合金置于离子氮化炉中，抽真空至炉内气压不大于10Pa，然后向抽真空后的离子氮化炉内通入氩气，在炉内气压不低于20Pa的条件下对锆或锆合金表面进行离子轰击清洗，离子轰击清洗后向所述离子氮化炉中通入空气或氧气，再将炉内温度升至400℃～900℃，对离子轰击清洗后的锆或锆合金表面进行离子渗氧处理，随炉冷却至室温后在锆或锆合金表面得到二氧化锆渗层；所述离子渗氧处理的时间为60min～300min。
2.按照权利要求1所述的一种锆或锆合金表面离子渗氧制备二氧化锆渗层的方法，其特征在于，步骤二中所述离子轰击清洗的时间为20min～40min。
3.按照权利要求1所述的一种锆或锆合金表面离子渗氧制备二氧化锆渗层的方法，其特征在于，步骤二中所述空气或氧气的流量为0.01L/min～0.1L/min。
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