RU2633688C1 - Method for treating surface of zirconium alloy plate - Google Patents

Method for treating surface of zirconium alloy plate Download PDF

Info

Publication number
RU2633688C1
RU2633688C1 RU2016137731A RU2016137731A RU2633688C1 RU 2633688 C1 RU2633688 C1 RU 2633688C1 RU 2016137731 A RU2016137731 A RU 2016137731A RU 2016137731 A RU2016137731 A RU 2016137731A RU 2633688 C1 RU2633688 C1 RU 2633688C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
zirconium
samples
laser
zirconium alloy
corrosion
Prior art date
Application number
RU2016137731A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Сергей Максимович Решетников
Ирина Олеговна Башкова
Евгений Викторович Харанжевский
Фаат Залалутдинович Гильмутдинов
Михаил Дмитриевич Кривилев
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Удмуртский государственный университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Удмуртский государственный университет" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Удмуртский государственный университет"
Priority to RU2016137731A priority Critical patent/RU2633688C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2633688C1 publication Critical patent/RU2633688C1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/08Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/06Surface hardening
    • C21D1/09Surface hardening by direct application of electrical or wave energy; by particle radiation
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C24/00Coating starting from inorganic powder
    • C23C24/08Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat

Abstract

FIELD: metallurgy.
SUBSTANCE: method for treating zirconium alloy plate surface includes application of magnesium oxide powder onto the plate surface and laser treatment, which is carried out in 1-10 passes at average laser radiation power of 10-60 W, pulse frequency of 20-100 kHz, laser beam scanning rate of 100-1000 mm/sec. Then annealing is carried out in muffle furnace at 700-1100°C for 5-25 minutes.
EFFECT: formation of transparent oxide film of mixed composition with high hardness, adhesion strength and corrosion resistance.
9 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области материаловедения и обработки поверхности металлов, а именно к снижению скорости коррозии циркониевого сплава в результате лазерной обработки, т.е. повышению коррозионной стойкости его поверхности. Изобретение может быть использовано в тех областях промышленности, в частности в атомной энергетике, где используются коммуникации и другие технологические элементы, изготовленные из циркониевых сплавов. Кроме того, цирконий и его сплавы используются и в качестве имплантатов в восстановительной хирургии [1].The invention relates to the field of materials science and surface treatment of metals, namely to reduce the corrosion rate of a zirconium alloy as a result of laser processing, i.e. increase the corrosion resistance of its surface. The invention can be used in those areas of industry, in particular in nuclear energy, where communications and other technological elements made of zirconium alloys are used. In addition, zirconium and its alloys are also used as implants in reconstructive surgery [1].

Из литературы известно, что коррозионная стойкость циркониевых сплавов обусловлена самопроизвольным созданием на их поверхности пленки из диоксида циркония [2]. Однако данная пленка имеет дефекты в строении, поэтому есть основания полагать, что могут быть предприняты меры по совершенствованию этой пленки и улучшению ее качеств. С этой целью была поставлена задача повысить коррозионную стойкость циркониевого сплава методом улучшения защитных свойств поверхностной пленки путем импульсной лазерной обработки с последующим легированием поверхностного слоя оксидом магния и отжигом.It is known from the literature that the corrosion resistance of zirconium alloys is due to the spontaneous creation of zirconia films on their surface [2]. However, this film has structural defects, so there is reason to believe that measures can be taken to improve this film and improve its quality. To this end, the task was to increase the corrosion resistance of the zirconium alloy by improving the protective properties of the surface film by pulsed laser treatment followed by doping of the surface layer with magnesium oxide and annealing.

На антикоррозионные свойства поверхности циркониевых сплавов, в частности защитные свойства оксидной пленки, оказывает значительное влияние способ заключительной обработки. Механическая обработка обычно приводит к появлению микро- и макронапряжений, что отрицательно влияет на коррозионную стойкость. Распространенной методикой обработки поверхности циркониевого сплава является травление поверхности плавиковой кислотой. В зависимости от длительности этот процесс называют травлением, осветлением или химическим полированием. Существенным недостатком в данной операции является неизбежное загрязнение поверхности фторидами, что ведет к изменениям структуры в кристаллических решетках при облучении, из-за чего такие изделия не выдерживают испытаний в аварийных условиях перегрева с выбросом теплоносителя.The anticorrosive properties of the surface of zirconium alloys, in particular the protective properties of the oxide film, are significantly affected by the final processing method. Machining usually leads to the emergence of micro and macro stresses, which negatively affects the corrosion resistance. A common technique for surface treatment of zirconium alloy is surface etching with hydrofluoric acid. Depending on the duration, this process is called etching, lightening or chemical polishing. A significant drawback in this operation is the inevitable contamination of the surface with fluorides, which leads to structural changes in the crystal lattices during irradiation, which is why such products do not withstand tests in emergency conditions of overheating with the release of coolant.

Многие особенности кинетики коррозии циркониевых материалов объясняются изменениями, происходящими в оксидных пленках при их росте и деградации. Так как коррозионное поведение циркониевых сплавов часто связано с электрофизическими свойствами барьерной оксидной пленки, актуальным является изучение влияния различных методов обработки поверхности на свойства антикоррозионных оксидных пленок на циркониевых сплавах. Для улучшения свойств также используется модификация состава циркониевых сплавов легированием различными элементами, а также изменение микроструктуры за счет оптимизации термической обработки. Известно, что структура не в меньшей степени определяет свойства материала, чем состав. Так, например, известен способ защиты циркониевого сплава от коррозии методом электроискровой обработки его поверхности вращающимся рабочим инструментом, состоящим из проволоки различных легирующих металлов, при этом образуются сложные по составу слои, существенно повышающие коррозионную стойкость циркониевых сплавов. Недостатком способа электроискровой обработки является высокий расход легирующих материалов, низкая управляемость процесса [3]. В работе [4] исследованы и описаны способы повышения эксплуатационных свойств циркониевых компонентов активных зон реакторов с помощью модификации структурно-фазового состояния и состава поверхности. Показано, что благодаря использованию различных методов можно получить композитные циркониевые материалы, обладающие повышенной прочностью, высоким сопротивлением ползучести и развитию усталостных трещин. С помощью жидкометаллического армирования можно повысить прочность циркониевых компонентов; методами твердофазного легирования углеродными нанотрубками можно снизить вероятность их водородного охрупчивания за счет способности углеродных нанотрубок к необратимой сорбции поглощаемого циркониевыми компонентами водорода; в результате модификации поверхности и создания на поверхности циркониевых компонентов защитных покрытий также можно снизить уровень наводороживания циркония и его сплавов при эксплуатации и повысить коррозионную стойкость, тем самым повысить работоспособность и продлить срок эксплуатации изделий. Все эти способы модификации могут использоваться как каждый в отдельности, так и в разных сочетаниях, в зависимости от того, какой набор свойств необходимо получить. В работе [5] показано, что антикоррозионные свойства циркониевых сплавов также зависят от плотности поверхностного оксидного слоя: чем более рыхлые и толстые оксидные слои, тем меньше устойчивость к электрохимической коррозии.Many features of the corrosion kinetics of zirconium materials are explained by the changes occurring in oxide films during their growth and degradation. Since the corrosion behavior of zirconium alloys is often associated with the electrophysical properties of a barrier oxide film, it is important to study the effect of various surface treatment methods on the properties of anticorrosive oxide films on zirconium alloys. To improve the properties, a modification of the composition of zirconium alloys by alloying with various elements is also used, as well as a change in the microstructure due to optimization of heat treatment. It is known that the structure no less determines the properties of the material than the composition. So, for example, there is a known method of protecting a zirconium alloy from corrosion by the electric spark treatment of its surface with a rotating working tool, consisting of a wire of various alloying metals, with the formation of complex layers, which significantly increase the corrosion resistance of zirconium alloys. The disadvantage of the method of spark processing is the high consumption of alloying materials, low controllability of the process [3]. In [4], methods for increasing the operational properties of zirconium components of the active zones of reactors by modifying the structural phase state and surface composition were investigated and described. It is shown that through the use of various methods it is possible to obtain composite zirconium materials with increased strength, high creep resistance and the development of fatigue cracks. Using liquid metal reinforcement, the strength of zirconium components can be increased; solid-phase doping with carbon nanotubes can reduce the likelihood of hydrogen embrittlement due to the ability of carbon nanotubes to irreversibly sorb hydrogen absorbed by zirconium components; as a result of surface modification and creation of protective coatings on the surface of zirconium components, it is also possible to reduce the level of hydrogenation of zirconium and its alloys during operation and increase corrosion resistance, thereby improving performance and prolonging the life of products. All these modification methods can be used either individually or in different combinations, depending on what set of properties you need to get. It was shown in [5] that the anticorrosion properties of zirconium alloys also depend on the density of the surface oxide layer: the more loose and thicker oxide layers, the lower the resistance to electrochemical corrosion.

Известно, что оксиды циркония, которые подвергнуты модификации оксидами других металлов, могут улучшать функциональные свойства: твердость, износостойкость и др. [6]. Известен способ повышения коррозионной стойкости циркониевых сплавов методом короткоимпульсной лазерной обработки в атмосфере воздуха и аргона [7] (прототип). При этом формируются защитные оксидные слои, более эффективно защищающие сплав от коррозии, чем самопроизвольно образованная оксидная пленка. С целью повышения эффективности образованной оксидной пленки на циркониевых сплавах предлагается модифицировать оксид циркония оксидами других металлов. В нашей работе был исследован оксид магния. Таким образом, цель, поставленная нами, состоит в улучшении защитных свойств оксида циркония, полученного короткоимпульсной лазерной обработкой, как описано в работе [7], выбранной нами в качестве прототипа. В ходе эксперимента было получено, что цель изобретения, а именно синтез смешанных оксидов, достигается при лазерной обработке при следующих режимах: число проходов - 1…10; средняя мощность лазерного излучения 10…60 Вт; частота импульсов 20…100 кГц; скорость сканирования луча лазера 100…1000 мм/с.It is known that zirconium oxides, which are modified by oxides of other metals, can improve functional properties: hardness, wear resistance, etc. [6]. A known method of increasing the corrosion resistance of zirconium alloys by the method of short-pulse laser treatment in an atmosphere of air and argon [7] (prototype). In this case, protective oxide layers are formed that more effectively protect the alloy from corrosion than spontaneously formed oxide film. In order to increase the efficiency of the formed oxide film on zirconium alloys, it is proposed to modify zirconium oxide with oxides of other metals. In our work, magnesium oxide was investigated. Thus, the goal that we set is to improve the protective properties of zirconium oxide obtained by short-pulse laser treatment, as described in [7], which we selected as a prototype. During the experiment, it was found that the purpose of the invention, namely the synthesis of mixed oxides, is achieved by laser processing in the following modes: the number of passes - 1 ... 10; average laser radiation power 10 ... 60 W; pulse frequency 20 ... 100 kHz; laser beam scanning speed 100 ... 1000 mm / s.

Конкретный пример реализации изобретенияA specific example of the invention

Приготовление образцовSample preparation

Исходными образцами служили образцы оболочек ТВЭЛов из сплава Э110 (Zr - 1 мас. % Nb) в состоянии поставки. Образцы с размерами 10×10×1 мм были предварительно обработаны плавиковой кислотой.The initial samples were samples of the claddings of fuel elements made of alloy E110 (Zr - 1 wt.% Nb) in the delivery state. Samples with dimensions of 10 × 10 × 1 mm were pretreated with hydrofluoric acid.

Для лазерной обработки использовался иттербиевый оптоволоконный лазер LDesigner F1, работающий в импульсном режиме генерации излучения и управляемый персональным компьютером. Обработка образцов производилась методом короткоимпульсного лазерного воздействия. Для создания защитного слоя смешанных оксидов на поверхности циркониевого сплава, на которой уже находится естественно образованная оксидная пенка, производилась последующая обработка в три этапа. Первым этапом являлось лазерное диспергирование высокодисперсного порошка оксида магния в циркониевую матрицу в инертной среде аргона. Таким образом, на исходную необработанную поверхность образца из циркониевого сплава наносился оксид магния в виде порошка толщиной слоя до 100 мкм. Далее проводилась обработка с помощью двух лазерных проходов: средняя мощность лазерного излучения для 1-го прохода - 39,3 Вт, 2-го - 22,5 Вт; частота импульсов двух проходов - 80 кГц; скорость сканирования луча лазера 1-го прохода - 500 мм/с, 2-го - 100 мм/с. При таком режиме обработки на поверхности циркониевого сплава, покрытого оксидной пленкой, наблюдается наличие оксида магния, растворенного в указанном поверхностном слое. Для получения композиционного покрытия, а не смеси исходных компонентов, после нанесения оксида магния производилась лазерная обработка в атмосфере воздуха: число проходов - 10; средняя мощность лазерного излучения - 50 Вт; частота импульсов - 100 кГц; скорость сканирования луча лазера - 700 мм/с. Такая обработка являлась вторым этапом для получения защитного слоя из смешанных оксидов на поверхности циркониевого сплава. Третьим заключительным этапом являлся отжиг в муфельной печи, необходимый для формирования на основе композиционного материала плотной оксидной пленки. Отжиг в муфельной печи осуществлялся при температуре 900°C в течение 10 минут. При таких параметрах отжига на образце образовывается плотная прозрачная оксидная пленка смешанного состава с высокой твердостью и адгезионной прочностью. Для проведения различных испытаний в одинаковых условиях были приготовлены по 3-5 образцов.For laser processing, we used an LDesigner F1 ytterbium fiber laser operating in a pulsed mode of radiation generation and controlled by a personal computer. The samples were processed by the method of short-pulse laser exposure. To create a protective layer of mixed oxides on the surface of the zirconium alloy, on which the naturally formed oxide foam is already located, subsequent processing was carried out in three stages. The first step was the laser dispersion of a finely divided powder of magnesium oxide into a zirconium matrix in an inert atmosphere of argon. Thus, magnesium oxide in the form of a powder with a layer thickness of up to 100 μm was deposited on the initial untreated surface of the zirconium alloy sample. Further, processing was carried out using two laser passages: the average laser radiation power for the 1st pass was 39.3 W, the second pass was 22.5 W; pulse frequency of two passes - 80 kHz; the scanning speed of the laser beam of the 1st pass is 500 mm / s, of the 2nd - 100 mm / s. In this treatment mode, the presence of magnesium oxide dissolved in the specified surface layer is observed on the surface of the zirconium alloy coated with an oxide film. To obtain a composite coating, and not a mixture of the starting components, after applying magnesium oxide, laser treatment was performed in an air atmosphere: the number of passes was 10; average laser power - 50 W; pulse frequency - 100 kHz; laser beam scanning speed - 700 mm / s. This treatment was the second stage to obtain a protective layer of mixed oxides on the surface of the zirconium alloy. The third final stage was annealing in a muffle furnace, which is necessary for the formation of a dense oxide film based on composite material. Annealing in a muffle furnace was carried out at a temperature of 900 ° C for 10 minutes. With such annealing parameters, a dense transparent oxide film of mixed composition with high hardness and adhesive strength is formed on the sample. For various tests under the same conditions, 3-5 samples were prepared.

Коррозионно-электрохимические исследованияCorrosion-electrochemical studies

Поляризационные измерения исследуемых образцов проводились в потенциодинамическом режиме при скорости развертки потенциала 2 мВ/с. Для электрохимических исследований использовались потенциостаты модели Ipc-Pro L и ячейка ЯСЭ-2 при температуре окружающей среды (20±2)°C. В качестве модельной коррозионной среды был выбран 1% (масс.) раствор хлорида натрия в воде при pH 7,0. Анионы хлорида являются депассиваторами и способны усиливать коррозию металлов, находящихся в пассивном состоянии [8, 9]. Второй модельный коррозионной средой был выбран раствор Рингера [8] при pH 6,2, который соответствует по составу и свойствам биологическим средам организма человека.Polarization measurements of the studied samples were carried out in the potentiodynamic mode at a potential sweep speed of 2 mV / s. For electrochemical studies, Ipc-Pro L model potentiostats and a YSE-2 cell were used at an ambient temperature of (20 ± 2) ° C. As a model corrosion medium, a 1% (mass.) Solution of sodium chloride in water at pH 7.0 was selected. Chloride anions are depassivators and can enhance the corrosion of passive metals [8, 9]. The second model of corrosive medium was chosen Ringer's solution [8] at a pH of 6.2, which corresponds in composition and properties to the biological environments of the human body.

Образцы для электрохимических исследований представляли собой пластинки площадью 1 см2. Синтезированный поверхностный слой служил в качестве рабочей поверхности электрода. Нерабочие поверхности электрода были изолированы (покрыты лаком). Перед электрохимическими испытаниями образцы были промыты дистиллированной водой и вся их поверхность обезжирена этанолом. Далее образцы помещали в электрохимическую ячейку с соответствующим раствором, выдерживали до установления стационарного потенциала (10-15 мин) и включали анодную поляризацию со скоростью 2 мВ/с. Потенциалы измеряли относительно насыщенного хлоридсеребряного электрода. Для сравнения в тех же условиях снимали поляризационные кривые исходного образца из циркониевого сплава.Samples for electrochemical studies were plates with an area of 1 cm 2 . The synthesized surface layer served as the working surface of the electrode. Non-working electrode surfaces were insulated (varnished). Before electrochemical tests, the samples were washed with distilled water and their entire surface was degreased with ethanol. Next, the samples were placed in an electrochemical cell with the appropriate solution, kept until a stationary potential was established (10-15 min), and the anode polarization was turned on at a speed of 2 mV / s. Potentials were measured relative to a saturated silver chloride electrode. For comparison, the polarization curves of the initial zirconium alloy sample were taken under the same conditions.

Таким образом, коррозионно-электрохимическим испытаниям подвергались следующие образцы:Thus, the following samples were subjected to corrosion-electrochemical tests:

образцы серии №1 - исходный, образец в состоянии поставки;samples of a series No. 1 - initial, a sample in a condition of delivery;

образцы серии №2 - лазерное диспергирование высокодисперсного порошка оксида магния в циркониевую матрицу в инертной среде аргона (1 этап в формировании защитного слоя смешанных оксидов на поверхности циркониевого сплава);samples of series No. 2 - laser dispersion of a fine powder of magnesium oxide into a zirconium matrix in an inert atmosphere of argon (stage 1 in the formation of a protective layer of mixed oxides on the surface of the zirconium alloy);

образцы серии №3 - лазерная обработка в атмосфере воздуха с целью синтеза поверхностных слоев и получения композиционного покрытия с металлической матрицей (2 этап формирования защитного слоя смешанных оксидов на поверхности циркониевого сплава);samples of series No. 3 - laser processing in an atmosphere of air in order to synthesize surface layers and obtain a composite coating with a metal matrix (stage 2 of the formation of a protective layer of mixed oxides on the surface of a zirconium alloy);

образцы серии №4 - лазерная обработка поверхности циркониевого сплава в среде аргона с нанесением порошка оксида магния с последующей лазерной обработкой поверхности в атмосфере воздуха с дальнейшим отжигом в муфельной печи (3 этап формирования защитного слоя смешанных оксидов на поверхности циркониевого сплава).samples of series No. 4 - laser treatment of the surface of a zirconium alloy in argon atmosphere with the application of magnesium oxide powder, followed by laser surface treatment in an atmosphere of air with further annealing in a muffle furnace (stage 3 of the formation of a protective layer of mixed oxides on the surface of the zirconium alloy).

Вольтамперные характеристики исследуемых образцов в растворе 1% NaCl и растворе Рингера представлены на фиг. 1 и 2 соответственно. Из представленных кривых следует, что все исследованные образцы не имеют так называемого участка активного растворения. Это связано с тем, что все исследуемые образцы имеют защитный оксидный слой, т.е. изначально запассивированны. Для таких образцов анодная поляризация в широком интервале потенциалов не сопровождается ростом анодного тока. Характеристикой защитных свойств оксидного слоя, т.е. коррозионной стойкости образцов, будет являться значение анодного потенциала, при котором резко возрастает скорость анодного процесса, т.е. потенциал перепассивации или, в случае довольно толстых пленок, потенциал пробоя [9]. Очевидно, чем более положительный потенциал пробоя, тем более эффективно защитный слой повышает коррозионную стойкость образцов.The current-voltage characteristics of the test samples in a 1% NaCl solution and Ringer's solution are presented in FIG. 1 and 2, respectively. From the presented curves it follows that all the samples studied do not have a so-called active dissolution site. This is due to the fact that all the studied samples have a protective oxide layer, i.e. initially passivated. For such samples, the anodic polarization in a wide range of potentials is not accompanied by an increase in the anode current. Characterization of the protective properties of the oxide layer, i.e. corrosion resistance of the samples will be the value of the anode potential at which the speed of the anode process increases sharply, i.e. the passivation potential or, in the case of rather thick films, the breakdown potential [9]. Obviously, the more positive the breakdown potential, the more effectively the protective layer increases the corrosion resistance of the samples.

На фиг. 1 и 2 приняты следующие обозначения кривых, полученных при исследовании образцов с различным режимом обработки. Нумерация 1-4 соответствует нумерации режимов обработки указанных выше. Как видно из фигур, у каждого образца имеется свое значение потенциала начала протекания активного коррозионного разрушения, которое свидетельствует о депассивации поверхности. Чем выше значение анодного потенциала, тем лучше антикоррозионные свойства и эксплуатационные характеристики материла. При увеличении потенциала растворение в результате перепассивации наступает сначала у образцов серий №1 и №2. Затем растворение наступает сначала у образца №3, и последним, при самых глубоких анодных потенциалах, у образца №4. Как следует из фигур, потенциал перепассивации обработанных образцов в каждой среде выше, чем у исходных образцов. Наиболее увеличенным потенциалом перепассивации обладают образцы с защитным слоем смешанных оксидов на поверхности циркониевого сплава (серия №4). Для наглядности степени повышения антикоррозионных свойств, значения потенциалов пробоя для образцов каждой серии в исследуемых электролитах представлены в таблице 1.In FIG. 1 and 2, the following designations of the curves obtained in the study of samples with different processing conditions are adopted. Numbering 1-4 corresponds to the numbering of the processing modes indicated above. As can be seen from the figures, each sample has its own value of the potential for the onset of active corrosion damage, which indicates surface depassivation. The higher the value of the anode potential, the better the anticorrosion properties and operational characteristics of the material. With an increase in potential, dissolution as a result of passivation occurs first in samples of series No. 1 and No. 2. Then, dissolution occurs first in sample No. 3, and last, at the deepest anode potentials, in sample No. 4. As follows from the figures, the potential for re-passivation of the processed samples in each medium is higher than that of the initial samples. The samples with a protective layer of mixed oxides on the surface of the zirconium alloy possess the most increased passivation potential (series No. 4). For clarity, the degree of increase in anticorrosion properties, breakdown potentials for samples of each series in the studied electrolytes are presented in table 1.

Figure 00000001
Figure 00000001

Для характеристики получаемых защитных слоев дополнительно проводили физические исследования. Химический состав поверхностных слоев образцов из циркониевого сплава исследовался методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС). Испытания проводили на спектрометре SPECS, с использованием MgKα-излучения (1253,6 эВ) в сочетании с послойным травлением поверхности ионами аргона с энергией 4 кэВ и плотностью тока 30 мкА/см2 (скорость травления ~1 нм/мин). Экспериментальные данные обработаны с помощью пакета программ CasaXPS. Относительная погрешность определения концентрации элементов составляет ±3% от измеряемой величины.In order to characterize the obtained protective layers, additional physical studies were performed. The chemical composition of the surface layers of zirconium alloy samples was studied by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The tests were carried out on a SPECS spectrometer using MgKα radiation (1253.6 eV) in combination with layer-by-layer etching of the surface with argon ions with an energy of 4 keV and a current density of 30 μA / cm 2 (etching rate ~ 1 nm / min). The experimental data were processed using the CasaXPS software package. The relative error in determining the concentration of elements is ± 3% of the measured value.

Исследовались образцы с лазерным диспергированием высокодисперсного порошка оксида магния в циркониевую матрицу в инертной среде аргона (образцы серии №2) и образцы после лазерной обработки в атмосфере воздуха с целью синтеза поверхностных слоев и получения композиционного покрытия с металлической матрицей (образцы серии №3). Их РЭ-спектры представлены на фиг. 3-5 и 6-8 соответственно.We studied samples with laser dispersion of a fine powder of magnesium oxide into a zirconium matrix in an inert argon medium (samples of series No. 2) and samples after laser treatment in an atmosphere of air to synthesize surface layers and obtain a composite coating with a metal matrix (samples of series No. 3). Their RE spectra are shown in FIG. 3-5 and 6-8, respectively.

Из анализа РЭ-спектров Zr3d поверхностных слоев образца серии №2 (фигура 3) следует вывод, что на самой поверхности циркониевого сплава цирконий окислен до ZrO2. Видно, что окисление циркониевого сплава неглубокое, на глубине 5 нм циркониевый сплав преимущественно не окислен. Интенсивность сигнала кислорода убывает от поверхности вглубь подложки.From the analysis of the RE spectra of Zr3d surface layers of the sample of series No. 2 (figure 3), it follows that on the surface of the zirconium alloy, zirconium is oxidized to ZrO 2 . It is seen that the oxidation of the zirconium alloy is shallow, at a depth of 5 nm the zirconium alloy is predominantly not oxidized. The oxygen signal intensity decreases from the surface deeper into the substrate.

В поверхностных слоях образца, обработанного в инертной среде, присутствует магний. Его РЭ-спектр Mg2s представлен на фиг. 5. После лазерной обработки на глубине до 3 нм магний присутствует в окисленном до Mg2+ состоянии, далее - преимущественно не окислен.Magnesium is present in the surface layers of a sample treated in an inert medium. Its RE spectrum of Mg2s is shown in FIG. 5. After laser treatment at a depth of up to 3 nm, magnesium is present in the state oxidized to Mg 2+ , then it is mainly not oxidized.

На РЭ-спектре Zr3d образца серии №3 (фиг. 6) по всей глубине анализа цирконий в сплаве окислен до ZrO2. РЭ-спектры Mg2p представлены на фиг. 8. Можно видеть, что в поверхностных слоях покрытия, полученного обработкой пластины из циркониевого сплава на воздухе, магний в следовых количествах есть, его концентрация не превышает 1 ат %. В данном случае оксид магния способствовал модификации кристаллической решетки и после взаимодействия часть его сублимировала в виде оксида, а другая предварительно восстановилась по реакции 2MgO+Zr=2Mg+ZrO2. В результате чего нуль-валентный магний внедрился в кристаллическую решетку циркониевой подложки.On the RE spectrum of Zr3d sample series No. 3 (Fig. 6) throughout the depth of analysis of zirconium in the alloy is oxidized to ZrO 2 . The RE spectra of Mg2p are shown in FIG. 8. It can be seen that in the surface layers of the coating obtained by treating the zirconium alloy plate in air, there is trace magnesium in trace amounts, its concentration does not exceed 1 at%. In this case, magnesium oxide facilitated the modification of the crystal lattice, and after the interaction, part of it was sublimated as oxide, and the other was previously reduced by the reaction 2MgO + Zr = 2Mg + ZrO 2 . As a result, null-valent magnesium was introduced into the crystal lattice of the zirconium substrate.

Рассмотрение РЭ-спектров по кислороду (O1s) для образцов серии 2 и 3 (фиг. 4 и 7 соответственно) свидетельствует о том, что по мере увеличения глубины, т.е. по мере проникновения в толщину образованного слоя, наблюдается постепенное уменьшение концентрации кислорода, иначе говоря, наблюдается градиент его концентрации. Это способствует плавному, постепенному переходу от оксидных к металлическим фазам, что и обеспечивает в итоге хорошую адгезию образованных слоев.A review of the RE spectra of oxygen (O1s) for samples of series 2 and 3 (Figs. 4 and 7, respectively) indicates that as the depth increases, i.e. as it penetrates the thickness of the formed layer, a gradual decrease in the oxygen concentration is observed, in other words, a gradient of its concentration is observed. This contributes to a smooth, gradual transition from oxide to metal phases, which ultimately ensures good adhesion of the formed layers.

Рентгеноструктурные исследования проводили с помощью автоматизированного дифрактометра ДРОН-6М. Съемка производилась методом постоянного времени в монохроматическом Co-Kα излучении с длиной волны λ=1,7902

Figure 00000002
, с шагом по углу 0,02° и временем экспозиции в каждой точке 5 с. Дифрактограмма веществ представляла собой кривую зависимости интенсивности отраженных рентгеновских лучей от угла Вульфа-Брэгга 2θ. Результаты рентгеноструктурного анализа исследуемых образцов представлены на фиг. 9. В исходных образцах регистрируется одна фаза α-Zr (гексагональная решетка). На дифрактограмме образца с диспергированным в поверхностном слое оксидом магния, также обнаружена только фаза α-Zr. Оксид магния не был обнаружен вследствие высокой дисперсности и аморфного состояния данного оксида. После обработки на воздухе обнаружены фаза α-Zr и две фазы диоксида циркония в двух модификациях: моноклинная и тетрагональная. На дифрактограмме после отжига в муфельной печи не обнаружена фаза α-Zr: присутствуют только фазы диоксидов циркония с моноклинной и тетрагональной решеткой, что говорит о значительной толщине полученного защитного слоя смешанных оксидов на поверхности циркониевого сплава.X-ray diffraction studies were performed using a DRON-6M automated diffractometer. The survey was carried out using the constant time method in monochromatic Co-Kα radiation with a wavelength of λ = 1.7902
Figure 00000002
, in increments of 0.02 ° angle and exposure time at each point 5 s. The diffractogram of the substances was a curve of the intensity of the reflected x-rays from the Wulf-Bragg angle 2θ. The results of X-ray diffraction analysis of the test samples are presented in FIG. 9. In the initial samples, one phase α-Zr (hexagonal lattice) is recorded. In the diffraction pattern of the sample with magnesium oxide dispersed in the surface layer, only the α-Zr phase was also detected. Magnesium oxide was not detected due to the high dispersion and amorphous state of this oxide. After treatment in air, the α-Zr phase and two phases of zirconium dioxide were detected in two modifications: monoclinic and tetragonal. The α-Zr phase was not detected in the diffractogram after annealing in a muffle furnace: only zirconia phases with a monoclinic and tetragonal lattice are present, which indicates a significant thickness of the obtained protective layer of mixed oxides on the surface of the zirconium alloy.

Исследования твердости проводили по методу Виккерса с использованием микротвердомера ПМТ-3 с нагрузкой 100 г. Измеряли микротвердость поверхности образца со сформированным в три этапа защитным слоем смешанных оксидов на поверхности циркониевого сплава. Значение микротвердости данного образца - 9,3 ГПа. Для сравнения была вычислена микротвердость поверхности исходного необработанного образца циркониевого сплава, которая составила 1.8 ГПа. Таким образом, по анализу полученных данных следует вывод, что получившийся защитный слой смешанных оксидов на поверхности циркониевого сплава (образцы серии №4) в 5 раз превышает микротвердость исходного образца.Hardness studies were carried out according to the Vickers method using a PMT-3 microhardness tester with a load of 100 g. The microhardness of the sample surface was measured with a protective layer of mixed oxides formed in three stages on the surface of the zirconium alloy. The microhardness value of this sample is 9.3 GPa. For comparison, the microhardness of the surface of the initial untreated zirconium alloy sample was calculated, which amounted to 1.8 GPa. Thus, according to the analysis of the data obtained, it follows that the resulting protective layer of mixed oxides on the surface of the zirconium alloy (samples of series No. 4) is 5 times higher than the microhardness of the initial sample.

Исследования на адгезионную прочность поверхности образца проводились в соответствии с ГОСТ Р 54563-2011. "Материалы лакокрасочные. Определение адгезии методом решетчатого надреза". Испытаниям подвергались образец со сформированным в три этапа защитным слоем смешанных оксидов на поверхности циркониевого сплава и исходный необработанный образец. Анализируя результаты полученных данных, можно сделать вывод, что на исходном образце имеются царапины на подложке, которая является сравнительно мягким материалом, т.е. в данном случае нет отслаивания, т.к. естественная оксидная пленка тонкая и она растворена в металлической матрице циркониевого сплава. Образец со сформированным в три этапа защитным слоем смешанных оксидов на поверхности циркониевого сплава обладает высокой адгезионной прочностью с подложкой, т.к. при царапании только в нескольких местах происходит отслаивание покрытия, что соответствует 1 баллу адгезионной прочности по ГОСТу. Это соответствует максимальной адгезии покрытия с подложкой. Высокая адгезионная прочность достигается в данном случае за счет градиентных слоев, полученных при помощи лазерной обработки. На покрытиях, полученных таким образом, осуществлен постепенный переход по фазовому составу от подложки к покрытию. Поверхность покрытия очень твердая и для того, чтобы нарушить ее целостность, сплошность, требуется усилие, значительно большее, чем для покрытий на образцах серии 1-3.Studies on the adhesion strength of the sample surface were carried out in accordance with GOST R 54563-2011. "Paintwork materials. Determination of adhesion by the lattice notch method." The tests were performed on a sample with a protective layer of mixed oxides formed in three stages on the surface of the zirconium alloy and the initial untreated sample. Analyzing the results of the obtained data, we can conclude that the initial sample has scratches on the substrate, which is a relatively soft material, i.e. in this case there is no peeling, because the natural oxide film is thin and it is dissolved in the metal matrix of the zirconium alloy. A sample with a protective layer of mixed oxides formed in three stages on the surface of a zirconium alloy has high adhesive strength with a substrate, since when scratching only in several places, peeling of the coating occurs, which corresponds to 1 point of adhesive strength according to GOST. This corresponds to the maximum adhesion of the coating to the substrate. High adhesive strength is achieved in this case due to the gradient layers obtained by laser treatment. On the coatings obtained in this way, a gradual transition in phase composition from substrate to coating is carried out. The surface of the coating is very hard and in order to violate its integrity, continuity, the force required is much greater than for coatings on samples of series 1-3.

Список источниковList of sources

1. Ikarashi Y., Toyoda K., Kobayashi Е., Doi Н., Yoneyama Т., Hamanaka Н. and Tsuchiya Т. Improved Biocompatibility of Titanium-Zirconium (Ti-Zr) Alloy: Tissue Reaction and Sensitization to Ti-Zr Alloy Compared with Pure Ti and Zr in Rat Implantation Study // Materials Transactions. 2005. V. 46. №10. P. 2260-2267.1. Ikarashi Y., Toyoda K., Kobayashi E., Doi N., Yoneyama T., Hamanaka N. and Tsuchiya T. Improved Biocompatibility of Titanium-Zirconium (Ti-Zr) Alloy: Tissue Reaction and Sensitization to Ti-Zr Alloy Compared with Pure Ti and Zr in Rat Implantation Study // Materials Transactions. 2005. V. 46. No. 10. P. 2260-2267.

2. Тодт Ф. Коррозия и защита от коррозии. Коррозия металлов и сплавов. Методы защиты от коррозии / Издательство: Химия. 1966 г. С 444-454.2. Todt F. Corrosion and corrosion protection. Corrosion of metals and alloys. Methods of corrosion protection / Publisher: Chemistry. 1966 From 444-454.

3. Способ защиты от коррозии: А.с. №958219, СССР / Решетников С.М., Вдовин С.Ф., Шемякин В.Н., Головачев М., Круткина Т.Г. – БИ. - 1982.3. Corrosion protection method: A.S. No. 958219, USSR / Reshetnikov S.M., Vdovin S.F., Shemyakin V.N., Golovachev M., Krutkina T.G. - BI. - 1982.

4. Иванова С.В., Глаговский Э.М., Орлов В.К., Шлепов И.А., Никоноров К.Ю., Рожко В.В., Глебов В.А., Бецофен С.Я. Повышение эксплуатационных свойств циркониевых компонентов активных зон легководных реакторов нового поколения с использованием нанотехнологий // Ядерная физика и инжиниринг. 2011. Т. 2, №3. С. 224-234.4. Ivanova S.V., Glagovsky E.M., Orlov V.K., Shlepov I.A., Nikonorov K.Yu., Rozhko V.V., Glebov V.A., Betsofen S.Ya. Improving the operational properties of zirconium components of the active zones of a new generation of light-water reactors using nanotechnology // Nuclear Physics and Engineering. 2011.Vol. 2, No. 3. S. 224-234.

5. Елшина Л.А., Кудяков В.Я., Малков В.Б., Молчанова Н.Г., Антонов Б.Д. Механизм образования тонких оксидных покрытий и нанопорошков при анодном оксидировании циркония в расплавленных солях // Защита металлов. 2008. Т. 44, №3. С. 276-282.5. Elshina L.A., Kudyakov V.Ya., Malkov VB, Molchanova N.G., Antonov B.D. The mechanism of the formation of thin oxide coatings and nanopowders during anodic oxidation of zirconium in molten salts // Metal Protection. 2008.Vol. 44, No. 3. S. 276-282.

6. Оковитый В.В. Выбор оксидов для стабилизации диоксида циркония при получении теплозащитных покрытий // Наука и техника. 2015. №5. С. 26-32.6. Fascinated VV The choice of oxides for stabilization of zirconium dioxide upon receipt of heat-protective coatings // Science and Technology. 2015. No5. S. 26-32.

7. Харанжевский Е.В., Башкова И.О., Решетников С.М., Иванова С.В. Коррозионно-электрохимические свойства слоев, полученных лазерным диспергированием оксидов на поверхности циркония // Вестник Удмуртского университета. Физика и химия. 2014. №4. С. 23-29 (прототип).7. Kharanzhevsky E.V., Bashkova I.O., Reshetnikov S.M., Ivanova S.V. Corrosion-electrochemical properties of layers obtained by laser dispersion of oxides on a zirconium surface // Bulletin of the Udmurt University. Physics and chemistry. 2014. No4. S. 23-29 (prototype).

8. Li С, Zheng Y.F., Zhao L.C., Electrochemical corrosion behavior of Ti-Ni-Nb alloy // Materials Science and Engineering A. 2006. V. 438-440. P. 504-508.8. Li C, Zheng Y.F., Zhao L.C., Electrochemical corrosion behavior of Ti-Ni-Nb alloy // Materials Science and Engineering A. 2006. V. 438-440. P. 504-508.

9. Семенова И.В., Флорианович Г.М., Хорошилов A.B. Коррозия и защита от коррозии. / Под ред. И.В. Семеновой - М.: ФИЗМАТЛИТ. 2002 г. С. 92-93.9. Semenova I.V., Florianovich G.M., Khoroshilov A.B. Corrosion and corrosion protection. / Ed. I.V. Semenova - M .: FIZMATLIT. 2002, S. 92-93.

Claims (1)

Способ обработки поверхности пластины из циркониевого сплава, включающий короткоимпульсную лазерную обработку, отличающийся тем, что перед лазерной обработкой на поверхность пластины наносят порошок оксида магния, лазерную обработку осуществляют за 1-10 проходов при средней мощности лазерного излучения 10-60 Вт, частоте импульсов 20-100 кГц, скорости сканирования луча лазера 100-1000 мм/с, а затем проводят отжиг в муфельной печи при температуре 700-1100°C в течение 5-25 мин.A method of surface treatment of a zirconium alloy plate, including short-pulse laser treatment, characterized in that before the laser treatment, magnesium oxide powder is applied to the surface of the plate, laser processing is carried out in 1-10 passes with an average laser power of 10-60 W, pulse frequency 20- 100 kHz, the laser beam scanning speed of 100-1000 mm / s, and then annealing in a muffle furnace at a temperature of 700-1100 ° C for 5-25 minutes.
RU2016137731A 2016-09-21 2016-09-21 Method for treating surface of zirconium alloy plate RU2633688C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016137731A RU2633688C1 (en) 2016-09-21 2016-09-21 Method for treating surface of zirconium alloy plate

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016137731A RU2633688C1 (en) 2016-09-21 2016-09-21 Method for treating surface of zirconium alloy plate

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2633688C1 true RU2633688C1 (en) 2017-10-16

Family

ID=60129528

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016137731A RU2633688C1 (en) 2016-09-21 2016-09-21 Method for treating surface of zirconium alloy plate

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2633688C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110527935A (en) * 2019-09-27 2019-12-03 河北科技大学 A method of improving zirconium-base alloy surface hardness
CN110983326A (en) * 2019-12-25 2020-04-10 浙江工业大学 Turbine blade laser zoning alloying method based on scanning galvanometer

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2164265C1 (en) * 1999-06-25 2001-03-20 Голковский Михаил Гедалиевич Method for producing titanium alloy base protective coatings
RU2418074C1 (en) * 2009-10-07 2011-05-10 Общество с ограниченной ответственностью "МИФИ-АМЕТО" Procedure for strengthening items out of metal materials for production of nano structured surface layers
CN103866319A (en) * 2014-03-31 2014-06-18 山东大学 Laser cladding method for preparing nickel-based heat-resisting and wear-resisting coating on surface of zirconium alloy
WO2015183396A1 (en) * 2014-05-27 2015-12-03 Westinghouse Electric Company Llc Deposition of a protective coating including metal-containing and chromium-containing layers on zirconium alloy for nuclear power applications

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2164265C1 (en) * 1999-06-25 2001-03-20 Голковский Михаил Гедалиевич Method for producing titanium alloy base protective coatings
RU2418074C1 (en) * 2009-10-07 2011-05-10 Общество с ограниченной ответственностью "МИФИ-АМЕТО" Procedure for strengthening items out of metal materials for production of nano structured surface layers
CN103866319A (en) * 2014-03-31 2014-06-18 山东大学 Laser cladding method for preparing nickel-based heat-resisting and wear-resisting coating on surface of zirconium alloy
WO2015183396A1 (en) * 2014-05-27 2015-12-03 Westinghouse Electric Company Llc Deposition of a protective coating including metal-containing and chromium-containing layers on zirconium alloy for nuclear power applications

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ХАРАНЖЕВСКИЙ Е.В. и др. Коррозионно-электрохимические свойства слоев, полученных лазерным диспергированием оксидов на поверхности циркония. Вестник Удмуртского Университета. Физика и химия. 2014, вып.4, с.23-29. *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110527935A (en) * 2019-09-27 2019-12-03 河北科技大学 A method of improving zirconium-base alloy surface hardness
CN110527935B (en) * 2019-09-27 2021-03-16 河北科技大学 Method for improving surface hardness of zirconium-based alloy
CN110983326A (en) * 2019-12-25 2020-04-10 浙江工业大学 Turbine blade laser zoning alloying method based on scanning galvanometer

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Kalainathan et al. Effect of laser shot peening without coating on the surface properties and corrosion behavior of 316L steel
Trdan et al. Evaluation of corrosion resistance of AA6082-T651 aluminium alloy after laser shock peening by means of cyclic polarisation and ElS methods
Wang et al. Comparison of the corrosion and passivity behavior between CrMnFeCoNi and CrFeCoNi coatings prepared by argon arc cladding
Qin et al. Performance of different microstructure on electrochemical behaviors of laser solid formed Ti–6Al–4V alloy in NaCl solution
Walker et al. The effect of large-area pulsed electron beam melting on the corrosion and microstructure of a Ti6Al4V alloy
RU2633688C1 (en) Method for treating surface of zirconium alloy plate
Kusmanov et al. Plasma electrolytic modification of the VT1-0 titanium alloy surface
Song et al. Improvement of corrosion and wear resistance of novel Zr-Ti-Al-V alloy with high strength and toughness by thermal nitridation treatment
Tsoeunyane et al. Electropolishing of additively manufactured Ti-6Al-4V surfaces in nontoxic electrolyte solution
Wu et al. Effect of Na2SiO3 concentration on microstructure and corrosion resistance of MAO coatings prepared on Al-Mg-Sc alloys
Oliveira et al. Surface modification of NiTi by plasma based ion implantation for application in harsh environments
Khanmohammadi et al. Microstructural, corrosion and mechanical behavior of two-step plasma electrolyte oxidation ceramic coatings
Dwivedi et al. Effect of laser shock peening on microstructure and micro-texture evolution in high-strength low-alloy steel upon electrochemical interaction
Razavi et al. Corrosion behaviour of laser gas-nitrided Ti–6Al–4V alloy in nitric acid solution
Zhang et al. Effects of graphite particle size on microstructure and properties of in-situ Ti-V carbides reinforced Fe-based laser cladding layers
Li et al. Effects of polyvinylidene fluoride sealing on micro-arc oxidation coating of 7075 aluminum alloy
Gupta et al. Corrosion study on laser shock peened 316L stainless steel in simulated body fluid and chloride medium
RU2622466C1 (en) Method of anticorrosive processing of aluminium surface or aluminium alloys
Li et al. Corrosion behaviors of Ce‐and Nd‐modified anodic films on aluminum
Haruna et al. Corrosion resistance of titanium–magnesium alloy in weak acid solution containing fluoride ions
Razavi et al. Effect of laser gas nitriding on the microstructure and corrosion properties of Ti–6Al–4V alloy
Jun et al. Electrochemical dissolution and passivation of laser additive manufactured Ti6Al4V controlled by elements segregation and phases distribution
Meng et al. Investigations on electrochemical corrosion behavior of 7075 aluminum alloy with femtosecond laser modification
RU2591826C2 (en) Method of applying corrosion-resistant carbon coating on steel surface
Shevchenko et al. Production of nanosize interference-colored oxide films on the Ti6Al4V alloy surface using the method of electrochemical oxydation in succinate eletrolytes

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20190922