[发明专利]一种锆基材料表面原位陶瓷化复合处理方法

说明书

本发明公开了一种锆基材料表面原位陶瓷化复合处理方法，该方法包括：一、表面纳米化处理环境的Fe污染检测；二、锆基材料表面预处理；三、锆基材料表面纳米化处理；四、纳米化处理后的锆基材料的Fe污染检测；五、加热设备环境的Fe污染检测；六、高温陶瓷化处理。本发明通过纳米化处理获得光滑均匀的锆基材料加工表面，改善了锆基材料表面应力分布状态，促进了锆基材料表面晶粒细化，然后结合高温陶瓷化处理形成完整致密的原位陶瓷化复合处理层，提高了锆基材料表面的耐腐蚀性和耐磨性，使其综合服役性能极大提升，有效实现了金属材料结构功能一体化。

技术领域

本发明属于金属材料的表面改性技术领域，具体涉及一种锆基材料表面原位陶瓷化复合处理方法。

背景技术

锆合金具有热中子吸收截面小、辐照稳定性好、高温水中良好的抗腐蚀性等优点，被广泛用作燃料包壳材料和堆芯结构材料，是水冷反应堆核电站应用的关键材料。在服役过程中，锆合金与高温高压水发生反应，使得燃料元件包壳表面生成不均匀的疖状腐蚀的白色疏松易脱落的氧化膜，导致燃料元件过早破损，严重影响其使用寿命。而开发新的锆合金，也需要较长的试验和验证周期，同时包括较大的研发成本投入等。另外，锆合金还广泛应用于非核的精细化工领域。由于锆合金在含氧介质中表面会自发形成附着性非常好的一层保护性氧化膜，在氧存在的条件下，具有很强的自修复能力，显著提升了锆合金在苛刻环境下耐高温和抗腐蚀性能。但锆合金表面的氧化膜硬度低且极薄，在锆合金设备的加工制备过程和使用过程易被外在载荷划伤，并从该划伤处发生点腐蚀，这往往是最常见的锆合金腐蚀失效的源头。

一般在苛刻的酸性或其它介质体系环境中，存在应力腐蚀开裂、氢脆、晶间腐蚀和电偶腐蚀四种主要的失效模式。尤其在酸性介质体系中的大型锆合金设备或反应釜，其焊缝多，焊趾位置存在较大的应力集中，即残余应力，又因焊接接头热影响区存在焊接热循环作用，热影响区本身存在一定的组织差异性，同时，焊接接头各区存在更大的组织梯度，导致锆合金母材、热影响区和焊缝三区腐蚀电位差异性大，同时存在严重的焊趾位置应力腐蚀、热影响区的晶间腐蚀、焊接接头各区的电偶腐蚀和氢脆现象。上述现象会显著缩短锆合金制设备服役寿命，造成严重安全隐患和高的停车维修成本。

目前已有通过对锆合金表面进行处理以改善其性能。其中，锆合金表面直接喷丸纳米化处理由于受金属基材自身特性的局限，在材料表面成分不发生改变的情况下，表面形成的纳米化层并不具备完全抵御环境作用的能力和某些特殊的表面功能属性，同时缺乏工程服役验证指导以及有价值的量化优化工艺数据，导致锆合金表面产生较大粗糙度和微区局部损伤，易诱发应力集中，产生应力腐蚀开裂和点腐蚀隐患；同时，该纳米化层对稀有金属锆合金表面硬度提高不明显，达不到长期使用要求。由于锆合金设备内外表面的焊缝分布在不同位置，各位置表面状态相差特别大，在锆合金表面直接进行高温陶瓷化处理时，需要对设备内外表面进行机械打磨抛光一致性处理，易引入杂质元素且在工程实际操作难度较大，且工作量大，劳动强度高，关键是表面陶瓷膜层颜色均一性、致密性、结合强度、抗磨蚀抗疲劳等综合性能差异性和不稳定性太大，难以在工程应用中推广，陶瓷化质量不能保证，若进行表面预处理则增加了酸洗工艺，造成环境污染，同时废酸处理也是较大问题，导致成本随之增加，而工业制造领域限制或取缔酸洗工艺。

截止目前尚未发现有针对锆基材料材料通过表面纳米化-高温陶瓷化复合工艺改善陶瓷层综合性能的研究或工程应用的报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种锆基材料表面原位陶瓷化复合处理方法。该方法通过纳米化处理获得光滑均匀的锆基材料加工表面，改善了锆基材料表面应力分布状态，促进了锆基材料表面晶粒细化，然后结合高温陶瓷化处理形成完整致密的原位陶瓷化复合处理层，提高了锆基材料表面的耐腐蚀性和耐磨性，使其综合服役性能极大提升。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种锆基材料表面原位陶瓷化复合处理方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：