CN109518013A - 一种脉冲激光重熔纯化金属铀表面的方法、其装置及其制备的纯化层 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脉冲激光重熔纯化金属铀表面的方法、其装置及其制备的纯化层，目的在于解决目前主要通过物理气相沉积和离子注入对铀进行保护，在镀膜或离子注入后，这些地方会破坏防护层的完整性，使防护层出现让腐蚀介质进入的缺陷的问题。本发明能有效解决现有方法所存在的高温熔融会产生大量放射性污染物，生产成本高，设备复杂、难以维护，无法处理大尺寸及复杂工件等问题。本发明无需进行高温熔炼，不会产生大量放射性污染物，且能够满足大尺寸工件的加工需求，不会导致工件变形，无需进行预处理，具有生产工艺简单，加工成本低等优点。同时，采用本发明加工后的工件原本存在的犁沟、划痕、尖锐的毛刺等缺陷融化变平，表面变得平坦光滑。

Description

一种脉冲激光重熔纯化金属铀表面的方法、其装置及其制备 的纯化层

技术领域

本发明涉及金属表面纯化技术领域，具体为一种脉冲激光重熔纯化金属铀表面的方法、其装置及其制备的纯化层。本发明通过脉冲激光辐照金属铀表面，减少表面夹杂物数量，使铀表面获得纯化。采用本发明进行激光表面纯化，能去除铀表面夹杂物，使铀表面成分均匀，提高抗腐蚀性能。

背景技术

金属铀是一种非常重要的核材料，但其化学性质活泼，极易遭受环境气氛（水、氧气、氢气）的腐蚀，不但影响其正常使用，造成材料浪费，增大了核燃料循环工作量，还给操作人员造成极大的辐射危害风险。

铀的防腐蚀方法很多，目前主要通过物理气相沉积和离子注入技术对金属铀进行保护。然而，金属铀表面存在较多的夹杂物颗粒，即使通过熔炼提纯后杂质依然存在，这些夹杂往往是腐蚀最容易产生的位置。在镀膜或离子注入后，这些地方会破坏防护层的完整性，使防护层出现让腐蚀介质进入的缺陷；另外，在吸附水的作用下，夹杂物与基体或薄膜材料形成微区腐蚀电池，会加速腐蚀的进行。

因此，去除金属铀表面的夹杂物，对降低金属铀的腐蚀速率，提高铀表面改性层完整性和耐腐蚀性能，具有重要的意义。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对目前主要通过物理气相沉积和离子注入对铀进行保护，在镀膜或离子注入后，这些地方会破坏防护层的完整性，使防护层出现让腐蚀介质进入的缺陷的问题，提供一种脉冲激光重熔纯化金属铀表面的方法、其装置及其制备的纯化层。本发明能有效解决现有方法所存在的高温熔融会产生大量放射性污染物，生产成本高，设备复杂、难以维护，无法处理大尺寸及复杂工件等问题。本发明无需进行高温熔炼，不会产生大量放射性污染物，且能够满足大尺寸工件的加工需求，不会导致工件变形，无需进行预处理，具有生产工艺简单，流程短，加工成本低，易于维护等优点。同时，采用本发明加工后的工件原本存在的犁沟、划痕、尖锐的毛刺等缺陷融化变平，表面变得平坦光滑。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种脉冲激光重熔纯化金属铀表面的方法，包括如下步骤：

（1）将工件置于真空室内的样品台上，调整工件位置，使纳秒脉冲激光扫描器能透过真空室的石英玻璃窗口扫描在工件上，然后将真空室抽真空至2 Pa以下；

（2）待步骤1完成后，开启纳秒脉冲激光扫描器，调整纳秒脉冲激光能量密度为1~ 6J/cm²，使纳秒脉冲激光扫描器激光透过石英玻璃窗口在工件表面扫描，激光重叠率为80%~95%；

（3）激光扫描完成后，关闭纳秒脉冲激光扫描器，打开真空室，取出工件，即可。

所述步骤（1）中，将真空室抽真空至2 Pa以下后，向真空室内充入惰性气体，或维持真空室内的真空状态。

所述步骤（2）中，纳秒脉冲激光能量密度为1~ 6J/ cm²，激光能量密度不能过低或过高；过低，金属表面无法熔融，纯化效果差；过高，则金属表面蒸发飞溅严重，铀蒸汽在石英玻璃窗口上凝结，激光不能透过。

所述步骤（1）中，工件无需进行预处理。

用于前述脉冲激光重熔纯化金属铀表面的方法的装置，包括真空室、用于放置工件的工作台、纳秒脉冲激光扫描器、真空泵，所述真空室上设置有用于纳秒脉冲激光扫描器发射出的激光透过的石英玻璃窗口，所述工作台设置在真空室内，所述真空泵与真空室相连且真空泵能将真空室内抽至真空状态。

采用前述方法所制备的铀表面纯化层。

金属铀表面夹杂物的去除方法和研究未见公开报道。目前关于金属表面纯化的研究较少，文献报道的表面纯化方法仅限于钢、镁合金、NiTi合金等少量普通金属，对重要的核材料铀等金属表面夹杂物去除技术未开展研究，且普通金属与核材料相比，其基体以及夹杂物种类及热物理性能都不同，表面纯化的技术和方法也将存在差异；与电子束纯化技术相比，激光表面纯化技术可以在样品或工件表面扫描，利于处理大尺寸工件和复杂形状工件，并且激光器处于真空室外，不会受到放射性污染，容易维修、维护；另外，普通金属表面激光纯化研究文献中，关于夹杂物去除的研究较为粗浅，仅发现夹杂物可能喷发或重新分布，对纯化技术工艺及效果并未开展深入研究。

有鉴于此，本发明要解决的技术问题是提供一种核材料铀表面激光纯化去除夹杂物的方法，其是一种利用脉冲激光对金属铀表面进行重熔去除表面夹杂物的方法，能有效克服已有技术中高温熔融产生大量放射性污染物、生产成本高、设备复杂难以维护、无法处理大尺寸及复杂工件等问题。

本发明中，通过如下方案来实现的：在真空或惰性气体环境中，通过纳秒脉冲激光扫描整个工件表面，激光为25ns脉冲激光，激光能量密度为1~ 6J/ cm²，激光重叠率为80%~95%，激光能量密度不能过低或过高；过低，金属表面无法熔融，纯化效果差；过高，则金属表面蒸发飞溅严重，铀蒸汽在石英玻璃窗口上凝结，激光不能透过。在真空或惰性气体环境中，采用纳秒脉冲激光辐照金属铀表面，激光能量很快的被吸收，表面产生急速升温，夹杂物熔点高、热导率低于基底金属铀，夹杂物处产生的热能向下层传导速率较慢，因此，夹杂物侧面周围金属铀温度升高较快，很快接近熔点，发生剧烈膨胀，将小尺寸的夹杂物挤压喷射出表层，在金属表面留下喷发坑。由于纳秒脉冲激光熔池较浅(1~2μm)，在表面较深处(＞5μm)，温度升高幅度较低，对于大尺寸夹杂物(超过5μm)将无法通过喷射方式去除，而是通过熔融金属铀凝固后在上层形成金属覆盖层。激光辐照表面，夹杂物热导率低，热量传导慢，其最表层温升极快，超过沸点，表层物质蒸发形成凹陷，周围熔融态金属铀流动进入凹陷处，激光脉冲结束后，熔融金属铀冷却凝固，形成表面凝固层，通过截面SEM观察及EDS能谱分析发现，大尺寸夹杂物在激光处理后，上层覆盖了一层熔融凝固的金属铀，夹杂物进入内层，使得金属表层为均匀纯净的金属铀，夹杂物从表面消失，表面获得纯化。

与现有方法相比，本发明的铀表面激光重熔纯化方法具有以下优点：仅表面层重熔，不需高温熔炼，大幅减少放射性污染物，保护环境，降低生产成本；工件表面无需预处理，废物产生量小；适用于平面工件和异形工件，能加工大型工件，加工速度快，适用于工业生产；加工后的工件不变形，表面毛刺、机加损伤消除，表面粗糙度下降。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1）不需要高温熔炼，激光重熔纯化方法仅金属表面1到2微米深度熔融，对表面进行纯化，不需对整个金属基体进行提纯，大大节约能源，降低生产成本；

2）不会产生大量放射性污染物，危害人体和环境安全，提高安全性，保护环境；

3）本发明采用激光在工件表面扫描，能对大尺寸工件和复杂形状的工件进行加工，满足不同规格、尺寸工件的加工需求，尤其适用于大尺寸工件的加工；

4）本发明中，纳秒脉冲激光的熔池深度只有微米级，只有工件表面会升温，工件整体升温极小，无论大型工件还是异形工件、薄壁件，都不会产生变形，有效保证工件的精度；

5）工件不需要预处理，能直接加工，有效减少工序，提高生产效率，避免预处理产生的放射性污染物；

6）采用本发明对金属铀表面进行激光重熔后，工件表面原本存在的犁沟、划痕、尖锐的毛刺等缺陷融化变平，表面变得平坦光滑。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为本发明的脉冲激光重熔纯化金属铀表面装置示意图。

图2为实施实例3中激光重熔纯化前后金属铀表面夹杂物微观形貌图

图中标记：1、真空室，2、工作台，3、工件、4、石英玻璃窗口，5、纳秒脉冲激光扫描器，6、真空泵。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明实施例中，采用的脉冲激光重熔纯化金属铀表面装置如图1所示。该装置包括真空室1、用于放置工件的工作台2、纳秒脉冲激光扫描器5、真空泵6，真空室1上设置有石英玻璃窗口4。工件3放置于工作台2上，纳秒脉冲激光扫描器5发射出的激光透过石英玻璃窗口4垂直照射在工件3表面，在工件表面扫描。

实施例1

1、将工件3放在真空室1内工作台2上正对石英玻璃窗口4处。然后，开启真空泵6，抽真空至2 Pa；或抽真空后，向真空室内充入惰性气体。

2、开启纳秒脉冲激光扫描器5，激光为25ns脉冲激光，调整激光能量密度为1J/cm²，使激光透过石英玻璃窗口4，在工件3表面扫描，激光重叠率为95%。

3、激光扫描完整个工件表面后，关闭纳秒脉冲激光扫描器5，打开真空室1，取出工件。

实验结果表明，采用本实施例进行处理后，金属表面夹杂物消失，表面层为均匀完整的金属铀。同时，金属铀的表面平衡腐蚀电位提高，腐蚀电流密度降低，整体的耐腐蚀性能增强。

实施例2

1、将工件3放在真空室1内工作台2上正对石英玻璃窗口4处。然后，开启真空泵6，抽真空至2 Pa；或抽真空后，向真空室内充入惰性气体。

2、开启纳秒脉冲激光扫描器5，激光为25ns脉冲激光，调整激光能量密度为6J/cm²，使激光透过石英玻璃窗口4，在工件3表面扫描，激光重叠率为80%。

3、激光扫描完整个工件表面后，关闭纳秒脉冲激光扫描器5，打开真空室1，取出工件。

实验结果表明，采用本实施例进行处理后，金属表面夹杂物消失，表面层为均匀完整的金属铀。同时，金属铀的表面平衡腐蚀电位提高，腐蚀电流密度降低，整体的耐腐蚀性能增强。

实施例3

1、将工件3放在真空室1内工作台2上正对石英玻璃窗口4处。然后，开启真空泵6，抽真空至2 Pa；或抽真空后，向真空室内充入惰性气体。

2、开启纳秒脉冲激光扫描器5，激光为25ns脉冲激光，调整激光能量密度为4.5J/cm²，使激光透过石英玻璃窗口4，在工件3表面扫描，激光重叠率为90%。

3、激光扫描完整个工件表面后，关闭纳秒脉冲激光扫描器5，打开真空室1，取出工件。

图2为实施实例3中激光重熔纯化前后金属铀表面夹杂物微观形貌图。图2（a）为采用本发明前的金属铀表面夹杂物形貌（图2（a）为抛光处理样品），图2（b）为采用本发明后的金属铀表面夹杂物形貌其中，激光重熔前，对带有机械加工划痕、沟槽的样品进行打磨抛光，以凸显出夹杂物；激光重熔纯化后，金属表面夹杂物消失，表面层为均匀完整的金属铀。采用电化学动电位极化测试分析其抗腐蚀性能，结果发现，纯化后，金属铀的表面平衡腐蚀电位从-496mV提高到-422mV，腐蚀电流密度从12.2 uA.cm^-2 降低到1.69 uA.cm^-2，腐蚀速率降低，且极化曲线出现一定的钝化现象，来源于纯化后铀表面形成完整连续的氧化物薄膜，耐腐蚀性能增强。

实施例4

1、将工件3放在真空室1内工作台2上正对石英玻璃窗口4处。然后，开启真空泵6，抽真空至2 Pa；或抽真空后，向真空室内充入惰性气体。

2、开启纳秒脉冲激光扫描器5，激光为25ns脉冲激光，调整激光能量密度为5J/cm²，使激光透过石英玻璃窗口4，在工件3表面扫描，激光重叠率为85%。

3、激光扫描完整个工件表面后，关闭纳秒脉冲激光扫描器5，打开真空室1，取出工件。

实验结果表明，采用本实施例进行处理后，金属表面夹杂物消失，表面层为均匀完整的金属铀。同时，金属铀的表面平衡腐蚀电位提高，腐蚀电流密度降低，整体的耐腐蚀性能增强。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (6)

1.一种脉冲激光重熔纯化金属铀表面的方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）将工件置于真空室内的样品台上，调整工件位置，使纳秒脉冲激光扫描器能透过真空室的石英玻璃窗口扫描在工件上，然后将真空室抽真空至2 Pa以下；

（2）待步骤1完成后，开启纳秒脉冲激光扫描器，调整纳秒脉冲激光能量密度为1~ 6J/cm²，使纳秒脉冲激光扫描器激光透过石英玻璃窗口在工件表面扫描，激光重叠率为80%~95%；

（3）激光扫描完成后，关闭纳秒脉冲激光扫描器，打开真空室，取出工件，即可。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（1）中，将真空室抽真空至2 Pa以下后，向真空室内充入惰性气体，或维持真空室内的真空状态。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（2）中，激光为25ns脉冲激光，纳秒脉冲激光能量密度为1~ 6J/ cm²，激光能量密度不能过低或过高；过低，金属表面无法熔融，纯化效果差；过高，则金属表面蒸发飞溅严重，铀蒸汽在石英玻璃窗口上凝结，激光不能透过。

4.根据权利要求1~3任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤（1）中，工件无需进行预处理。

5.用于前述权利要求1~4任一项所述方法的装置，包括真空室、用于放置工件的工作台、纳秒脉冲激光扫描器、真空泵，所述真空室上设置有用于纳秒脉冲激光扫描器发射出的激光透过的石英玻璃窗口，所述工作台设置在真空室内，所述真空泵与真空室相连且真空泵能将真空室内抽至真空状态。

6.采用前述权利要求1~4任一项所述方法所制备的铀表面纯化层。