CN108193153A - 一种锆合金复合喷丸表面改性方法 - Google Patents

一种锆合金复合喷丸表面改性方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种锆合金复合喷丸表面改性方法，其包括以下步骤：选择弹丸的种类：选择弹丸的大小；选择弹丸的硬度；选定喷丸强度；确定喷射角度；处理喷丸破碎弹丸；确定喷丸覆盖率；确定零件表面的粗糙度。本发明提供的锆合金喷丸表面改性方法，通过对于弹丸硬度、喷丸强度、喷射角度和喷丸覆盖率的严格把控，使得在保证较低的粗糙度的前提下，喷丸处理后的锆合金包壳管表层产生压应力层，提高表面的硬度，细化外表层的晶粒尺寸，延长了锆合金包壳管部件的使用寿命。

Description

一种锆合金复合喷丸表面改性方法
技术领域
本发明属于核电站燃料包壳表面强化技术领域，涉及一种在燃料棒包壳锆合金表面改性的复合喷丸工艺，可以显著提高燃料棒包壳锆合金的硬度和高温高压水中的抗磨损性能，同时提高其耐腐蚀性能。
背景技术
喷丸强化，是在一个完全控制的状态下，将无数小圆形介质高速且连续喷射，捶打到零件表面，从而在表面产生一个残余压应力层。因为当每颗钢丸撞击金属零件上，宛如一个微型棒锤敲打表面，锤出小压痕或凹陷。为形成凹陷，金属表层必定会产生拉伸。表层下，压缩的晶粒试图将表面恢复到原来形状，从而产生一个高度压缩力作用下的半球。无数凹陷重叠形成均匀的残余压应力层。同时表层的晶粒也会细化。最终，零件的表面得以强化，延长了零件的安全工作寿命。
对锆合金进行喷丸处理，主要起到以下作用：
1)提高试样表面的硬度，从而提高其耐磨损性能；
2)引入残余压应力，在腐蚀过程中生成的氧化锆更加致密，原因是残余压应力的存在可以保证更多的四方相氧化锆存在，减缓四方相氧化锆向单斜相氧化锆转变，而四方相氧化锆是致密的，具有保护性，单斜相氧化锆疏松多孔，容易加速腐蚀；
3)使材料表层的晶粒更加细化，晶界变多，为氧化初期提供氧离子扩散通道，且压应力的存在使初期生成的氧化膜更加致密，存在更多的具有保护性的四方相氧化锆。
近年来，随着核电的迅速发展以及人类对反应堆安全性和经济性要求的提高，进一步改善锆合金在反应堆高燃耗下的性能，已经成为一个重要的研究方向。锆合金的性能很大程度上取决于耐腐蚀和耐磨损性能的改善，为了提高锆合金的耐磨损和耐腐蚀性能，努力大致可以分为两个方向：一是改变锆合金中合金元素的成分、比例和加工工艺；二是改进燃料组件制造工艺，对燃料包壳水侧进行改性处理。表面处理技术就成为了重要的工艺手段，主要是通过表面改性的途径提高锆合金的耐腐蚀性能和抗磨损能力。
喷丸处理技术的关键在于所采用的弹丸类型以及相应的喷丸工艺。因此，进一步优化喷丸处理技术能够在锆合金表面预先形成硬度较高的残余压应力层，加速寿期初耐磨损、耐腐蚀的氧化锆层的生成，从而提高锆合金的关键性能，对于锆合金在工业中的广泛应用具有重要意义。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出一种锆合金复合喷丸表面改性方法。
本发明提供一种锆合金复合喷丸表面改性方法，其特征在于，包括以下步骤：
选择弹丸的种类：选取硬度为48-52HRC的玻璃丸以及硬度为50-60HRC的不锈钢切割丸；
选择弹丸的大小，选取直径为0.36mm的不锈钢切割丸和玻璃丸，且选取弹丸直径为0.063-0.076mm的玻璃丸；
选择弹丸的硬度：选取硬度大于零件的弹丸；
选定喷丸强度：在强化阶段，先采用直径为0.36mm的不锈钢切割丸，喷丸强度为0.15mmA；再采用直径为0.36mm的玻璃丸，喷丸强度为0.15mmN；在降低粗糙度阶段，采用再次喷丸方法来降低粗糙度，并采用弹丸直径为0.063-0.076mm的玻璃丸，先后用0.3MPa、0.2MPa、0.1MPa的压强去喷丸；
确定喷射角度：调整喷射角度，以垂直的状态进行喷丸处理；
处理喷丸破碎弹丸；
确定喷丸覆盖率；
确定零件表面的粗糙度：粗糙度不高于0.8μm。
优选的，所述确定喷丸覆盖率包括：在喷丸试验之前，在零件的表面涂覆蓝墨水，当所有蓝墨水被弹丸去除掉时所用的时间即为100％覆盖率所对应的时间，而200％覆盖率就是在100％覆盖率对应时间的2倍；在强化阶段，喷丸的覆盖率为200％；在降低粗糙度阶段，喷丸的覆盖率为100％。
优选的，所述确定零件表面的粗糙度包括：零件表面的原始粗糙度为0.22μm；经过直径为0.36mm、喷丸强度为0.15mmA的不锈钢丸处理后，粗糙度提高到2.63μm；经过直径为0.36mm、喷丸强度为0.15mmN的玻璃丸处理后，粗糙度降低到1.65μm；经过直径为0.063-0.076mm、先后采用弹丸仓气压为0.3MPa、0.2MPa和0.1MPa的玻璃丸处理后，粗糙度分别为1.28μm、1.11μm和0.70μm；最终零件表面的粗糙度为0.70μm。
优选的，所述选择弹丸的大小包括：在强化阶段，采用高强度喷丸；在强化阶段先后采用直径为0.36mm的不锈钢切割丸和直径为0.36mm的玻璃丸；在降低粗糙度阶段，采用弹丸直径为0.063-0.076mm的玻璃丸。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的锆合金喷丸表面改性方法，通过对于弹丸硬度、喷丸强度、喷射角度和喷丸覆盖率的严格把控，使得在保证较低的粗糙度的前提下，喷丸处理后的锆合金包壳管表层产生压应力层，提高表面的硬度，细化外表层的晶粒尺寸，延长了锆合金包壳管部件的使用寿命。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面对本发明作进一步详细的说明。
本发明一实施例提供的锆合金喷丸表面改性方法，包括以下步骤：
1)弹丸种类的选择：由于铸钢丸容易发生铁污染，所以该方法采用不锈钢切割丸和玻璃丸实施复合喷丸，选取玻璃丸的硬度为48-52HRC，不锈钢切割丸硬度为50-60HRC。
2)弹丸大小的选择：本发明的复合喷丸方法主要分为两个阶段。第一个阶段为强化阶段，采用较高的喷丸强度，所以选取的弹丸直径相对较大，一般弹丸越大，在零件表面产生的凹坑越大，使得零件表面的粗糙度也越大，所以适当降低弹丸的尺寸有利于降低零件表面的粗糙度，本发明在强化阶段先后采用直径为0.36mm的不锈钢切割丸(AWS14)和直径为0.36mm的玻璃丸(AGB35)；第二阶段的目的是降低零件表面的粗糙度，所以选取直径更小的玻璃丸，本发明采用230#玻璃丸，弹丸直径为0.063-0.076mm。
3)喷丸硬度的选用：一般喷丸的硬度要大于零件的硬度。当其硬度大于零件的硬度时，喷丸硬度值的变化不影响喷丸强度。反之，喷丸硬度值降低，将使喷丸强度降低。
4)喷丸强度的选定：对于强化阶段，为了达到强化的目的，强化阶段的喷丸强度较大，本发明先采用直径为0.36mm的不锈钢切割丸，喷丸强度为0.15mmA，在此基础之上，再采用直径为0.36mm的玻璃丸，喷丸强度为0.15mmN；对于降低粗糙度阶段，采用再次喷丸方法来降低粗糙度，这样既能保证强化层的存在，也不会造成污染，现采用弹丸直径为0.063-0.076mm的玻璃丸，先后用0.3MPa、0.2MPa、0.1MPa压强去喷丸，可以达到降低粗糙度的目的。
5)喷射角度的确定：喷射角度的调整，呈垂直状态时，喷丸强度最高，锆合金包壳管零件为圆柱形，形状不受限制，因此一般均以垂直状态进行喷丸处理。
6)喷丸破碎弹丸处理：破碎弹丸的喷丸强度低，容易对零件表面造成损伤，因此要经常清除碎丸，要保证喷丸的完整率不低于85％。
7)覆盖率的确定：为了达到100％的喷丸覆盖率，会在喷丸试验之前，在零件的表面涂上蓝墨水，当所有蓝墨水被弹丸去除掉时所用的时间即为100％覆盖率所对应的时间，而200％覆盖率就是在100％覆盖率对应时间的2倍。对于本发明的强化阶段，喷丸的覆盖率均为200％；对于降低粗糙度阶段，喷丸的覆盖率均为100％。
8)粗糙度的确定：零件表面的原始粗糙度为0.22μm；经过直径为0.36mm、喷丸强度为0.15mmA的不锈钢丸处理后，粗糙度提高到2.63μm；经过直径为0.36mm、喷丸强度为0.15mmN的玻璃丸处理后，粗糙度降低到1.65μm；经过直径为0.063-0.076mm、先后采用弹丸仓气压为0.3MPa、0.2MPa和0.1MPa的玻璃丸处理后，粗糙度分别为1.28μm、1.11μm和0.70μm。最终零件表面的粗糙度为0.70μm。
性能测试结果：
1)硬度：采用纳米力学性能测量仪对锆合金喷丸试样截面纳米硬度梯度进行测量，确定锆合金喷丸试样截面的硬度分布规律。当纳米压痕位置距离试样表面2μm时，硬度值最高，为5.412GPa，当距试样表面4～8μm位置时，喷丸试样硬度分布较为均匀，保持在4GPa以上。随着距离的增加，纳米硬度逐渐降低，当距离表面25μm时达到稳定的3.016GPa。由此可见，采用最佳喷丸工艺处理后试样表面的硬度是基体的1.8倍。
2)耐磨损性能：经过喷丸处理的ZIRLO合金以及未处理的ZIRLO合金，在控制高压釜模拟压水堆工况回路的温度和水化学条件下(温度300℃，压力15.5MPa，开动循环水)，进行高温高压微动磨损试验。结果显示：经过喷丸处理的ZIRLO合金比未处理的ZIRLO合金的耐磨损性能提高10％。
3)耐腐蚀性能：经过喷丸处理的ZIRLO合金以及未处理的ZIRLO合金在两种水化学下分别腐蚀220天。结果显示：在360℃/18.6MPa去离子水中，经过喷丸处理的ZIRLO合金和未处理的ZIRLO合金的腐蚀增重分别为76.56mg/dm2和79.91mg/dm2，经过喷丸处理的ZIRLO合金的腐蚀增重比未处理的ZIRLO合金降低4％。在360℃/18.6MPa/0.01mol/L LiOH水中，经过喷丸处理的ZIRLO合金和未处理的ZIRLO合金的腐蚀增重分别为117.75mg/dm2和119.31mg/dm2，经过喷丸处理的ZIRLO合金的腐蚀增重比未处理的ZIRLO合金略低。
与现有技术相比，本实施例具有以下有益效果：
1、本实施例提供的锆合金喷丸表面改性方法，通过对于弹丸硬度、喷丸强度、喷射角度和喷丸覆盖率的严格把控，使得在保证较低的粗糙度的前提下，喷丸处理后的锆合金包壳管表层产生压应力层，提高表面的硬度，细化外表层的晶粒尺寸，延长了锆合金包壳管部件的使用寿命。
本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种锆合金复合喷丸表面改性方法，其特征在于，包括以下步骤：
选择弹丸的种类：选取硬度为48-52HRC的玻璃丸以及硬度为50-60HRC的不锈钢切割丸；
选择弹丸的大小，选取直径为0.36mm的不锈钢切割丸和玻璃丸，且选取弹丸直径为0.063-0.076mm的玻璃丸；
选择弹丸的硬度：选取硬度大于零件的弹丸；
选定喷丸强度：在强化阶段，先采用直径为0.36mm的不锈钢切割丸；再采用直径为0.36mm的玻璃丸；在降低粗糙度阶段，采用再次喷丸方法来降低粗糙度，并采用弹丸直径为0.063-0.076mm的玻璃丸，先后用0.3MPa、0.2MPa、0.1MPa的压强去喷丸；
确定喷射角度：调整喷射角度，以垂直的状态进行喷丸处理；
处理喷丸破碎弹丸；
确定喷丸覆盖率；
确定零件表面的粗糙度：粗糙度不高于0.8μm。
2.如权利要求1所述的锆合金复合喷丸表面改性方法，其特征在于，所述确定喷丸覆盖率包括：在喷丸试验之前，在零件的表面涂覆蓝墨水，当所有蓝墨水被弹丸去除掉时所用的时间即为100％覆盖率所对应的时间，而200％覆盖率就是在100％覆盖率对应时间的2倍；在强化阶段，喷丸的覆盖率为200％；在降低粗糙度阶段，喷丸的覆盖率为100％。
3.如权利要求1所述的锆合金复合喷丸表面改性方法，其特征在于，所述确定零件表面的粗糙度包括：零件表面的原始粗糙度为0.22μm；经过直径为0.36mm、喷丸强度为0.15mmA的不锈钢丸处理后，粗糙度提高到2.63μm；经过直径为0.36mm、喷丸强度为0.15mmN的玻璃丸处理后，粗糙度降低到1.65μm；经过直径为0.063-0.076mm、先后采用弹丸仓气压为0.3MPa、0.2MPa和0.1MPa的玻璃丸处理后，粗糙度分别为1.28μm、1.11μm和0.70μm；最终零件表面的粗糙度为0.70μm。
4.如权利要求1所述的锆合金复合喷丸表面改性方法，其特征在于，所述选择弹丸的大小包括：在强化阶段，采用高强度喷丸；在强化阶段先后采用直径为0.36mm的不锈钢切割丸和直径为0.36mm的玻璃丸；在降低粗糙度阶段，采用弹丸直径为0.063-0.076mm的玻璃丸。
5.如权利要求1所述的锆合金复合喷丸表面改性方法，其特征在于，在强化阶段，先采用直径为0.36mm的不锈钢切割丸，喷丸强度为0.15mmA；再采用直径为0.36mm的玻璃丸，喷丸强度为0.15mmN。
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