[发明专利]一种在核电用锆材中获得高密度纳米孪晶的方法

说明书

技术领域

本发明提供一种在材料表面中获得高密度纳米孪晶的方法，尤其是在核电用锆材中获得高密度纳米孪晶的方法。该方法是使用脉冲激光表面强化的方法在核用锆合金材料表面具形成一定深度的改性层组织（由高密度纳米孪晶组成），属于材料表面处理及改性技术领域。

背景技术

锆合金具有较低的热中子吸收截面、并且锆及锆合金在许多有机酸、无机酸、强碱和熔融盐中具有优异的耐腐蚀表现以及其较好的综合力学性能。因此，锆合金常用作水冷核反应堆的堆芯结构材料，如燃料包壳、压力管、支架和孔道管等。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。大量的研究表明，获得均匀细小、取向随机的晶粒对提高核电用锆合金加工性能、减弱辐照生长等具有十分关键的作用。并且，核电用锆合金材料在核工业使用过程中，其失效往往由于表面率先失效而引起整体失效，因此需要对核电用锆合金材料进行表面强化处理。

纳米孪晶金属以其优异的力学性能和良好的导电性受到广泛关注。孪晶是金属材料中常见的结构,孪晶界可以有效地阻碍位错的运动,从而起到强化材料的作用传统金属结构材料中孪晶片层厚度在微米或亚微米尺度,这种孪晶结构及其界面与大角度晶界类似,对材料的强化有一定的效果，但当孪晶片层厚度降低至纳米量级（纳米孪晶）,材料的强度、硬度等力学性能得到显著提升,同时仍能够保持良好的韧性和导电性能。中国科学院金属研究所沈阳材料科学联合实验室卢磊等在《金属学报》（2010年11期1422-1427页）上的发表的“纳米孪晶金属材料”表明，具有高密度纳米孪晶结构的纯Cu具有高的强度和优良的导电性能。纳米孪晶金属优异的综合力学性能源于其独特的塑性变形机制。塑性变形过程中孪晶界可有效阻碍位错运动，具有和普通晶界相似的强化作用。同时孪晶界又可作为位错的滑移面吸收大量位错，与普通晶界相比孪晶界结构更加稳定，其过剩能仅为普通晶界的1/10。因此，纳米孪晶结构从能量上要比相同化成分的纳米晶体结构稳定很多，这种稳定的超细纳米孪晶结构的获得不仅是传统材料制备技术的突破，同时也为深入研究金属材料力学行为的纳米尺寸效应提供了可能。

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。具体技术有：激光表面相变硬化、激光表面冲击硬化、激光表面熔覆、激光表面合金化和激光表面非晶化等。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。如中国科学院金属研究所的王茂才等，发明了一种镁合金激光表面强化的修复方法（CN 1629352A）对镁合金的疏松、气孔、裂纹、缩孔等缺陷以及缺肉、尺寸超差等进行强化修复。然而，目前采用激光表面强化的方法对核电用锆合金进行处理的详细步骤及主要参数范围的研究报道很少，本发明将提供一种利用脉冲激光处理核电用锆合金材料使其表面获得高密度的纳米孪晶的方法步骤及主要参数范围。这个发明不仅操作方便、效率高，并且起到非常好的表面强化作用。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种在核电用锆材中获得高密度纳米孪晶的方法，通过采用脉冲激光设备对核用锆合金材料进行表面强化处理，最后形成具有一定深度的改性层组织（由高密度纳米孪晶组成），进而达到提高锆合金包壳材料表面的显微硬度和强度等力学性能的目的。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

(1) 工件的制备

首先利用线切割设备将核用Zr-2.5Nb合金样品制成尺寸符合工艺要求的工件，如尺寸为20mm×40mm×3mm的长方体块状工件；将工件依次经过金相水磨砂纸逐级打磨平滑光亮，如依次通过400#、800#、1000#、1500#、2000#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-40～-20℃，抛光时间为30～60s，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，并不留水渍痕迹。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混合形成的抛光液，其体积比为：5%~12%的高氯酸，65%~80%的甲醇，10%~25%的乙二醇单丁醚。

(2) 工件的脉冲激光处理