CN105951021A

CN105951021A - 一种在锆合金中获得双峰板条结构的方法

Info

Publication number: CN105951021A
Application number: CN201610527248.2A
Authority: CN
Inventors: 柴林江; 王姝俨; 陈宝凤
Original assignee: Chongqing University of Technology
Current assignee: Chongqing University of Technology
Priority date: 2016-07-06
Filing date: 2016-07-06
Publication date: 2016-09-21

Abstract

本发明提供了一种在锆合金中获得双峰板条结构的方法，采用双相Zr‑2.5Nb合金，对其表面进行抛光处理后将其置于脉冲激光的工位上，在氩气保护下，用脉冲激光束对样品表面进行处理，主要参数范围：激光功率20~600W，能量密度3~50J/mm²，脉冲宽度2~6ms，离焦量2~4mm，扫描速度5~25mm/s；本发明技术方案在合金表面形成具有一定深度的改性层组织，改性层的上方是晶粒尺寸均匀的超细晶板条结构区域，在此区域的边缘出现了晶粒尺寸为亚微米（0.1~0.3um）与纳米（<30nm）的超细晶双峰板条结构即晶粒尺寸为亚微米级别的晶粒均匀的分布在尺寸为纳米级的基体中；可使双相锆合金表面显微组织大大细化；超细晶双峰板条组织使材料的强度得到改善，材料的塑性也可显著提高，进而改善了其表面综合机械性能。

Description

一种在锆合金中获得双峰板条结构的方法

技术领域

本发明提供一种在锆合金中获得双峰板条结构的方法，该方法是利用脉冲激光束对双相锆合金材料表面进行处理，在工件表面形成改性层组织；属于激光表面改性技术领域。

背景技术

锆合金以其较低的热中子吸收截面，优异的耐腐蚀性能以及良好的综合力学性能，被常用作水冷核反应堆的堆芯结构材料，如燃料包壳、压力管、支架等。随着核反应堆技术的不断发展，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。并且许多材料的失效是由于材料的表面缺陷引起的。因此，需要对锆合金材料进行表面强化处理，改变其微观组织，达到改善其耐腐蚀性能和综合机械性能的效果。

激光技术在表面改性中的应用即利用高能激光束和材料表面之间的交互作用，使基体材料表面的显微组织与性能发生改变，从而改善材料表面的性能。这些性能包括材料的硬度、耐磨抗腐蚀、抗氧化疲劳等。目前，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。如四川工程职业技术学院的李小汝等，在《热加工工艺》（2005年，第8期，148-149页）上发表的“9SiCr钢表面激光淬火后性能分析”采用激光表面淬火的方法使材料的硬度达到未经表面淬火试件的1.3倍，耐磨性提高了36.6%。

通过激光表面处理的方法，通常能得到超细晶表面组织。超细晶材料包括纳米晶（<100nm）与亚微米晶(100~1000nm)材料，虽然具有很高的强韧性但其较差的加工硬化能力和塑性却阻碍了其在工程中的应用。但是，超细晶双峰结构，即晶粒尺寸为亚微米级别的晶粒均匀的分布在尺寸为纳米级的基体中，其中纳米晶粒提供高强度，亚微米晶粒提供高韧性。这种结构的存在使材料具有更加优异的综合力学性能。许多学者在这方面做了相关研究，如Wang Y M等在Nature上发表的“High tensile ductility in a nanostructured metal”（2002,419:912）阐述了通过控制二次再结晶的方法在低温大塑性变形纳米晶Cu中实现了双峰晶粒尺寸分布，这种双峰结构使纯Cu的延伸率高达65%。然而，迄今为止，通过激光表面强化的方法对锆合金进行表面处理，从而产生双峰结构的详细步骤及主要参数范围还尚未见报道，本发明将提供一种通过脉冲激光处理锆合金材料使其获得双峰板条结构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

本发明提供了一种在锆合金中获得双峰板条结构的方法，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，得到一定深度的改性层，改性层的上方是晶粒尺寸统一的板结构区域。并在此区域的边缘发现了晶粒尺寸为亚微米（0.1~0.3um）与纳米（<30nm）的超细晶双峰板条结构。进而达到细化锆合金材料的表层组织，同时提高其强度与塑性等力学性能的目的。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

首先利用线切割设备将锆合金的样品沿轧向、横向、法向分别切取尺寸为30mm、15mm和3mm的工件。并依次选用400#、800#、1000#、1500#和3000#型号的水磨砂纸将样品打磨光亮，然后在抛光液中进行电解抛光，抛光电压为20V，抛光温度为-30～-20℃，抛光时间为40～60s。电解抛光完成后将工件迅速取出，并分别用清水与无水乙醇清洗工件表面。最后将工件表面吹干，不留水渍痕迹。抛光液可以为现有技术中的合适液体；本发明提供一种高氯酸、甲醇和乙二醇单丁醚混合液的抛光液，其体积分数为：5%~15%的高氯酸，65%~85%的甲醇，10%~25%的乙二醇单丁醚。

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20~600W，能量密度3~50J/mm²，脉冲宽度2~6ms，离焦量2~4mm，扫描速度5~25mm/s；取出经激光强化处理的样品，检验工件表面质量，适当将样品的表面机加平整。

在前述步骤中，样品表面处理所用电解抛光液体积分数为：5%~15%的高氯酸，65%~85%的甲醇，10%~25%的乙二醇单丁醚。

在前述步骤中，工件表面处理所用电解抛光的抛光电压为20V，抛光温度为-30～-20℃，抛光时间为40～60s。

在前述步骤中，待样品放入脉冲激光设备的工作室内后，所充入的惰性保护气体为氩气。

在前述步骤中，改性层组织的上方是晶粒尺寸统一的超细晶板条结构区域，在此区域边缘是晶粒尺寸为0.1~0.3um的亚微米与晶粒尺寸<30nm的超细晶双峰板条结构，晶粒尺寸为亚微米级别的晶粒均匀的分布在尺寸为纳米级的基体中。

在砂纸将样品打磨光亮时，依次选用400#、800#、1000#、1500#和3000#型号的砂纸。

本发明的有益效果：本发明所提供的一种在锆合金中获得双峰板条结构的方法，通过脉冲激光表面处理后的锆合金材料表面形成具有一定深度的改性层组织，改性层的上方是晶粒尺寸统一的超细晶板条结构区域。并在此区域的边缘发现了晶粒尺寸为亚微米（0.1~0.3um）与纳米（<30nm）的超细晶双峰板条结构,即晶粒尺寸为亚微米级别的晶粒均匀的分布在尺寸为纳米级的基体中。本发明所提供的在锆合金中获得双峰板条结构的方法，是在研究不同参数下对Zr-2.5Nb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，通过本发明所提供的方法，可使双相锆合金表面显微组织大大细化，并且由于超细晶双峰板条织构的存在，不仅使材料的强度得到改善,材料的塑性也显著提高，进而改善了其表面综合机械性能。该方法还具有操作方便、设备简单、经济实用、技术可靠、效率高、质量稳定等优点，并可实现较好的经济效益。

附图说明

图1为实施例提供锆合金表面改性层的超细晶双峰板料结构组织电子显微照片；

图2为图1中的框选区域图（局部放大图）。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施方式，对本发明进行详细说明。

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：

首先利用线切割设备将锆合金材料的样品沿轧向、横向、法向按工艺要求的尺寸切取工件，得到立体状的样品；然后用砂纸将样品打磨光亮，如依次选用400#、800#、1000#、1500#和3000#型号的水磨砂纸将样品打磨光亮，之后对样品进行电解抛光。电解抛光完成后将样品迅速取出，并分别用清水与无水乙醇清洗工件表面。最后将工件样品表面吹干，不留水渍痕迹。样品表面处理所用电解抛光选取的具体参数为：抛光电压为20V，抛光温度为-30～-20℃，抛光时间为40～60s。电解抛光液可以选用现有技术，本发明提供的一种具体电解抛光液，其组分和体积分数分别为：5%~15%的高氯酸，65%~85%的甲醇，10%~25%的乙二醇单丁醚。

之后，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，并向工作室内通入惰性气体（如氩气）作为保护气体；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选取的主要参数范围：激光功率20~600W，能量密度3~50J/mm²，脉冲宽度2~6ms，离焦量2~4mm，扫描速度5~25mm/s；在这个参数范围内，均能实现本发明目的。

最后取出样品，检验工件表面质量，需要时对样品的表面机加工以使平整。通过脉冲激光表面处理后的核电用锆合金材料表面形成具有一定深度的改性层组织，改性层的上方是晶粒尺寸统一的超细晶板条结构区域。并在此区域的边缘发现了晶粒尺寸为亚微米与纳米的超细晶双峰板条结构，即晶粒尺寸为亚微米级别的晶粒均匀的分布在尺寸为纳米级的基体中。如图1、2所示。

实施例1

选取线切割后尺寸为20mm×40mm×3mm的Zr-2.5Nb试样，首先依次选用400#、800#、1000#、1500#和3000#水磨砂纸将其打磨光亮，然后在抛光液中进行电解抛光，抛光电压为20V，抛光温度为-30℃，抛光时间为40s。电解抛光完成后将工件迅速取出，并分别用清水与无水乙醇清洗工件表面。最后将工件表面吹干，不留水渍痕迹。抛光液为70%甲醇+20%乙二醇单丁醚+10%高氯酸（体积比）。

将表面清洗处理后的样品装夹在专用的夹具上，放入脉冲激光设备的工作室的工位上，并向工作室内充入纯度为99.9%的氩气作为保护气体。启动脉冲激光设备，加载电压，对Zr-2.5Nb材料的表面进行脉冲激光表面强化处理。脉冲激光表面强化处理的主要参数范围：激光功率500W，能量密度30J/mm²，脉冲宽度2ms，离焦量2mm，扫描速度10mm/s；在这个参数范围内，均能实现本发明目的；

经测试利用本发明表面强化处理方法处理后的双相Zr-2.5Nb表面形成具有一定深度的改性层组织，改性层的上方是晶粒尺寸统一的超细晶板条结构区域。并在此区域的边缘发现了晶粒尺寸为亚微米（0.1~0.3um）与纳米（<30nm）的超细晶双峰板条结构,即晶粒尺寸为亚微米级别的晶粒均匀的分布在尺寸为纳米级的基体中。且改性层深度可通过调整激光处理参数进行有效控制。

实施例2

选取线切割后尺寸为20mm×40mm×3mm的Zr-2.5Nb试样，首先依次选用400#、800#、1000#、1500#和3000#水磨砂纸将其打磨光亮，然后在抛光液中进行电解抛光，抛光电压为20V，抛光温度为-25℃，抛光时间为50s。电解抛光完成后将工件迅速取出，并分别用清水与无水乙醇清洗工件表面。最后将工件表面吹干，不留水渍痕迹。抛光液为75%甲醇+16%乙二醇单丁醚+9%高氯酸（体积比）。

将表面清洗处理后的样品装夹在专用的夹具上，放入脉冲激光设备的工作室的工位上，并向工作室内充入纯度为99.9%的氩气作为保护气体。启动脉冲激光设备，加载电压，对Zr-2.5Nb材料的表面进行脉冲激光表面强化处理。脉冲激光表面强化处理的主要参数范围：激光功率600W，能量密度40J/mm²，脉冲宽度4ms，离焦量3mm，扫描速度15mm/s；在这个参数范围内，均能实现本发明目的；

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，尽管申请人参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种在锆合金中获得双峰板条结构的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1) 工件的制备：

首先利用线切割设备将锆合金的样品沿轧向、横向、法向按工艺要求的尺寸切取工件，得到立体状的样品；

(2) 样品的抛光：

将样品经过金相水磨砂纸逐级打磨平滑光亮，之后对样品进行电解抛光；电解抛光完成后将样品取出，并分别用清水与无水乙醇清洗样品表面；最后将样品表面吹干；

(3) 样品的脉冲激光处理：

将表面处理干净后的样品装夹好，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作为保护气体；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20~600W，能量密度3~50J/mm²，脉冲宽度2~6ms，离焦量2~4mm，扫描速度5~25mm/s；

(4) 取出激光强化处理的样品，检查工件表面质量；发现通过脉冲激光表面处理后的锆合金材料表面形成具有一定深度的改性层组织。

2.根据权利要求1所述的一种在锆材中获得双峰板条结构的方法，其特征在于：在步骤（2）中，样品表面处理所用电解抛光液体积分数为：5%~15%的高氯酸，65%~85%的甲醇，10%~25%的乙二醇单丁醚。

3.根据权利要求1所述的一种在锆合金中获得双峰板条结构的方法，其特征在于：在步骤（2）中，工件表面处理所用电解抛光的抛光电压为20V，抛光温度为-30～-20℃，抛光时间为40～60s。

4.根据权利要求1所述的一种在锆合金中获得双峰板条结构的方法，其特征在于：在步骤（3）中，待样品放入脉冲激光设备的工作室内后，所充入的惰性保护气体为氩气。

5.根据权利要求1所述的一种在锆合金中获得双峰板条结构的方法，其特征在于：在步骤（4）中，改性层组织的上方是晶粒尺寸统一的超细晶板条结构区域，在此区域边缘是晶粒尺寸为0.1~0.3um的亚微米与晶粒尺寸<30nm的超细晶双峰板条结构，晶粒尺寸为亚微米级别的晶粒均匀的分布在尺寸为纳米级的基体中。

6.根据权利要求1所述的一种在锆合金中获得双峰板条结构的方法，其特征在于：在砂纸将样品打磨光亮时，依次选用400#、800#、1000#、1500#和3000#型号的砂纸。