RU2105084C1

RU2105084C1 - Metal oxidation protection method

Info

Publication number: RU2105084C1
Application number: RU96110904A
Authority: RU
Inventors: Л.Е. Федоров
Priority date: 1996-06-11
Filing date: 1996-06-11
Publication date: 1998-02-20

Abstract

FIELD: corrosion protection. SUBSTANCE: method of protecting metals, e. g. zirconium, against oxidation may find use in all mechanical engineering branches, including protection of fuel element cans in nuclear reactors. Metal part is cooled by liquid nitrogen and surface of part is consecutively site-by-site melted by laser beam. Into melting zone, mixture of liquid nitrogen and argon is fed to form metal nitride film on the part surface, regularity and thickness of coating being controlled. EFFECT: improved procedure. 4 cl, 2 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к технологии создания защитных покрытий поверхности металлических изделий, например из сплава циркония (Zr), и может быть применено, например, в атомной промышленности для оболочек тепловыделяющих элементов ядерных реакторов. The present invention relates to a technology for creating protective coatings on the surface of metal products, for example, from an alloy of zirconium (Zr), and can be used, for example, in the nuclear industry for the shells of fuel elements of nuclear reactors.

Известен способ защиты тугоплавких металлов от окисления, включающий формирование защитной трехслойной плавки соответственно из силицида молибдена (Mo₅Si₃), циркона (ZrO₂•SiO₂) и диоксида циркония с добавками Э₂O₃, где Э - У , La, Se [1].A known method of protecting refractory metals from oxidation, including the formation of a protective three-layer smelting, respectively, of molybdenum silicide (Mo ₅ Si ₃ ), zircon (ZrO ₂ • SiO ₂ ) and zirconium dioxide with additives E ₂ O ₃ where E - U, La, Se [one].

Этот способ технологически сложен и не обеспечивает прочного сцепления сформированной пленки с поверхностью оболочек, например из циркония (Zr). This method is technologically complicated and does not provide strong adhesion of the formed film to the surface of the shells, for example of zirconium (Zr).

Наиболее близким аналогом-прототипом является способ поверхностной защиты металлических изделий, в частности из циркония и его сплавов [2], включающий тепловое воздействие на обрабатываемое изделие и формирование на его поверхности защитного покрытия физико-химическим взаимодействием металла изделия и среды, в которой изделие обрабатывают. The closest analogue to the prototype is a method of surface protection of metal products, in particular from zirconium and its alloys [2], which includes thermal exposure of the workpiece and the formation on its surface of a protective coating by physico-chemical interaction of the metal of the product and the environment in which the product is processed.

Данный способ также технологически сложен и не обеспечивает прочного сцепления нанесенного покрытия с поверхностью защищаемого изделия, например из циркония. This method is also technologically complicated and does not provide strong adhesion of the applied coating to the surface of the protected product, for example, zirconium.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что в способе защиты металлов от окисления, включающем тепловое воздействие на обрабатываемое изделие из металла и формирование защитного покрытия на поверхности изделия физико-химическим взаимодействием среды, в которой изделие обрабатывают, и металла изделия, изделие охлаждают жидким азотом, а для формирования покрытия последовательно проплавляют все участки поверхности изделия, например лучом лазера, в зону проплавления подают смесь жидкого азота и инертного газа и в результате взаимодействия азота и металла на поверхности изделия создают в зоне проплавления пленку нитрида этого металла, получая защитное покрытие на всей поверхности изделия, при этом контролируют равномерность и толщину получаемого покрытия. The essence of the invention lies in the fact that in the method of protecting metals from oxidation, including thermal exposure of the workpiece made of metal and the formation of a protective coating on the surface of the product by physicochemical interaction of the medium in which the product is processed and the metal of the product, the product is cooled with liquid nitrogen, and to form a coating, successively melt all parts of the product’s surface, for example, with a laser beam, into the penetration zone a mixture of liquid nitrogen and an inert gas is fed and, as a result, the interacting nitrogen and metal on the surface of the article create a fusion of the metal nitride film zone to obtain a protective coating on the entire surface of the article, the control evenness and thickness of the coating.

При этом поверхность охлаждают до начала воздействия луча лазера и продолжают охлаждение вплоть до прекращения его воздействия, воздействие лучом лазера повторяют до получения равномерного покрытия заданной толщины, защищают изделие из сплава циркония, а в качестве инертного газа применяют аргон. At the same time, the surface is cooled until the laser beam begins to cool and cooling continues until the laser beam ceases, the laser beam is repeated until a uniform coating of a given thickness is obtained, the product is made of zirconium alloy, and argon is used as an inert gas.

Предложенный способ обеспечивает возможность образования на поверхности металлических изделий, например из циркония и его сплавов, прочного равномерного покрытия заданной толщины, обладающего высоким адгезивным взаимодействием с защищаемой поверхностью, а кроме того, не нарушающего функциональных характеристик защищаемых изделий, например, требуемых характеристик пропускания нейтронов в тепловыделяющих элементах ядерных реакторов. The proposed method provides the possibility of the formation on the surface of metal products, for example from zirconium and its alloys, a strong uniform coating of a given thickness, having high adhesive interaction with the surface to be protected, and in addition, not violating the functional characteristics of the products to be protected, for example, the required neutron transmission characteristics in fuel elements of nuclear reactors.

Пример реализации предложенного способа защиты металлов от окисления иллюстрирует фиг. 1, на которой показана схема устройства для осуществления данного способа, и фиг.2, на которой приведена фотография среза поверхности трубы из сплава "цирконий 1", защищенной оболочкой, полученной при использовании предложенного способа. An example implementation of the proposed method of protecting metals from oxidation is illustrated in FIG. 1, which shows a diagram of a device for implementing this method, and FIG. 2, which shows a photograph of a slice of the surface of a pipe made of zirconium 1 alloy, protected by a sheath obtained using the proposed method.

Устройство для осуществления предложенного способа защиты металлов содержит механизм 1, выполненный в виде, например, суппорта с электроприводом (на чертеже не показан) и обеспечивающий регулируемое вращательно-поступательное движение обрабатываемого изделия 2 в выполненной в виде металлического кожуха защитной камере 3, в которой производят обработку изделия 2, подводящие через специальные отверстия в кожухе защитной камеры 3 (на чертеже не обозначены) в зону 4 обработки аргон и жидкий азот трубопроводы 5 и 6 соответственно, а также лазер 7, предназначенный для создания высоко-энергетического теплового луча, подаваемого в зону 4 обработки через другое специальное отверстие (на чертеже не обозначено). Кроме того, устройство содержит контактный башмак 8, установленный в камере 3 и служащий опорой для обрабатываемого изделия 2 и теплоотводом, и теплоизоляционный кожух 9. Вывод 10 в камере 3 предназначен для слива жидкого азота. Кроме того, в состав устройства входит микроскоп 11, предназначенный для контроля толщины и равномерности формирования защитного покрытия. A device for implementing the proposed method of protecting metals contains a mechanism 1 made in the form, for example, of a caliper with an electric drive (not shown in the drawing) and providing adjustable rotational-translational movement of the workpiece 2 in a protective chamber 3 made in the form of a metal casing, in which the processing is carried out products 2, leading through special openings in the casing of the protective chamber 3 (not shown in the drawing) to pipelines 5 and 6, respectively, to the argon and liquid nitrogen treatment zones, as well as a laser 7, designed to create a high-energy heat ray supplied to the treatment zone 4 through another special hole (not indicated in the drawing). In addition, the device includes a contact shoe 8 mounted in the chamber 3 and serving as a support for the workpiece 2 and a heat sink, and a heat-insulating casing 9. The terminal 10 in the chamber 3 is designed to drain liquid nitrogen. In addition, the device includes a microscope 11, designed to control the thickness and uniformity of the formation of a protective coating.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Подлежащее обработке изделие 2, например трубка из сплава "цирконий 1", закрепляют на державке (на чертеже не обозначена) механизма 1 и вводят в защитную камеру 3. Через трубопровод 6 в камеру 3 подают жидкий азот (температурой -196^oC), охлаждающий наружную, а для более полного охлаждения и внутреннюю поверхности изделия 2. По трубопроводу 5 подают аргон, который за местом соединения трубопровода 5 с трубопроводом 6 смешивают с жидким азотом, чтобы в зону 4 обработки поступала смесь аргона с жидким азотом. Соотношение компонентов этой смеси выбирают равным (10-50)% аргона и соответственно (50-90)% азота.The product 2 to be processed, for example, a tube made of zirconium 1 alloy, is secured to the holder (not shown in the drawing) of mechanism 1 and introduced into the protective chamber 3. Liquid nitrogen (temperature -196 ^° C) is supplied through the pipe 6 to the chamber 3, cooling outer, and for more complete cooling, and the inner surface of the product 2. Argon is fed through line 5, which is mixed with liquid nitrogen behind the junction of line 5 with line 6, so that a mixture of argon and liquid nitrogen enters treatment zone 4. The ratio of the components of this mixture is chosen equal to (10-50)% argon and, accordingly, (50-90)% nitrogen.

Затем лучом лазера 7 производят проплавление слоя поверхности обрабатываемого изделия. При этом с расплавленным слоем металла взаимодействует находящийся в зоне 4 обработки азот, который образует нитрид циркония (ZrN), создающий на обрабатываемой поверхности в атмосфере аргона прочную защитную пленку. Лучом лазера 7 производят сканирование защищаемой поверхности изделия 2, для чего это изделие с помощью механизма 1 вращают и перемещают. Then, a laser beam 7 penetrates the surface layer of the workpiece. At the same time, nitrogen in the treatment zone 4 interacts with the molten metal layer, which forms zirconium nitride (ZrN), which creates a strong protective film on the treated surface in argon atmosphere. The laser beam 7 scans the protected surface of the product 2, for which this product using the mechanism 1 is rotated and moved.

Толщина защитной пленки зависит от глубины проплавления, которую обычно выбирают равной 5-15 мк, поэтому для получения защитной пленки требуемой толщины или увеличивают время воздействия луча лазера 7, или повторяют сканирование этим лучом обрабатываемой поверхности. The thickness of the protective film depends on the penetration depth, which is usually chosen equal to 5-15 microns, therefore, to obtain a protective film of the required thickness, either increase the exposure time of the laser beam 7, or repeat scanning this beam of the treated surface.

Рассмотрение приведенной на фиг.2 фотографии среза поверхности, защищенной полученной указанным способом, показывает, что микроструктура защитной пленки (ZrN) существенно мельче микроструктуры материала защищаемого изделия и в то же время эта пленка внедрена в материал, что свидетельствует и о прочности защитной пленки, и о высокой адгезионности ее соединения с защищаемым изделием. An examination of a photograph of a slice of the surface protected by the method shown in FIG. 2 shows that the microstructure of the protective film (ZrN) is substantially smaller than the microstructure of the material of the protected product and at the same time this film is embedded in the material, which indicates the strength of the protective film, and about the high adhesion of its connection with the protected product.

Claims

1. The method of Fedorov L.E. protecting metals from oxidation, including the thermal effect on the workpiece made of metal and the formation of a protective coating on the surface of the product by physicochemical interaction of the medium in which the product is processed and the metal of the product, characterized in that the product is cooled with liquid nitrogen, and subsequently melted to form a coating all areas of the product’s surface, for example, by a laser beam, a mixture of liquid nitrogen and an inert gas and, as a result of the interaction of nitrogen and metal, is fed to the penetration zone and products created in the penetration of the metal nitride film zone to obtain a protective coating on the entire surface of the article, the control evenness and thickness of the coating.

2. The method according to claim 1, characterized in that the surface is cooled before exposure to the laser beam and cooling continues until the termination of exposure.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the laser beam is repeated until a uniform coating of a given thickness is obtained.

4. The method according to claim 3, characterized in that the product is protected from an alloy of zirconium, and argon is used as an inert gas.