一种提高核电结构材料抗铅铋合金腐蚀性能的方法技术

本发明专利技术公开了一种提高核电结构材料抗铅铋合金腐蚀性能的方法。该方法是采用表面纳米化技术对核电结构材料进行表面处理，使材料表面形成梯度纳米结构和组织细化结构层，经过表面纳米化处理的核电结构材料在液态铅铋合金中产生厚度小于5μm的致密钝化膜，该钝化膜减缓了核电结构材料在液态铅铋合金中的腐蚀，从而提高核电结构材料的抗铅铋合金腐蚀性能。经表面处理后，材料表层梯度纳米晶及组织细化结构层厚度达150μm以上，表面晶粒尺寸细化为50nm以下，表面粗糙度Ra值控制在0.3μm以下。使用本发明专利技术的方法处理后，核电结构材料的抗铅铋合金腐蚀性能较处理前有显著提升。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及核电结构材料
，具体涉及一种提高核电结构材料抗铅铋合金腐蚀性能的方法。
技术介绍
作为一种清洁能源，核能正得到越来越多的重视与发展，随之而来的核废料处理成为亟待解决的问题，成为核能可持续发展的制约因素之一。基于分离嬗变技术的加速器驱动次临界系统(ADS系统)是新型的核废物嬗变及能量产生的核能系统，成为新一代核能开发的重要技术方向之一。ADS系统结构材料服役环境苛刻，需要具有耐高温、抗辐照、抗疲劳、抗液态金属腐蚀等性能，尤其是抗液态铅铋合金腐蚀性能。如果材料性能指标达不到使用要求，在核电站运行过程中就会存在重大的安全隐患，导致核泄漏等重大事故的发生。由于具有较低的热膨胀系数、较高的热导率等优异的热物理性能以及优良的抗辐照性能，低活化铁素体/马氏体钢被作为ADS系统的首选结构材料之一。而如何提高低活化铁素体/马氏体钢的抗铅铋合金腐蚀性能成为确保核电安全性能的主要因素之一。低活化铁素体/马氏体钢在液态铅铋合金中的失效形式包括氧化腐蚀、晶界脆化、冲蚀等。其中，氧化腐蚀是最主要的失效形式之一。目前，现有的改善低活化铁素体/马氏体钢的抗铅铋合金腐蚀性能的方式主要有两种：其一是通过控制液态铅铋合金中的氧分压或氧含量，以期降低其对低活化铁素体/马氏体钢的氧化腐蚀；其二是通过调整低活化铁素体/马氏体钢自身的化学成分以提高其抗液态铅铋合金腐蚀性能。但是，上述两种方法均存在一定弊端：氧分压及氧含量的控制较为困难，未能从根本上解决核电结构材料自身的抗铅铋合金腐蚀性能；调整低活化铁素体/马氏体钢的化学成分可能会导致材料的其他性能的削弱，如抗中子辐照性能等；并且新材料的研制成本较高、周期较长。
技术实现思路
针对现有技术中存在的不足之处，本专利技术的目的是提供一种提高核电结构材料抗铅铋合金腐蚀性能的方法，该方法无需严格控制铅铋合金中的氧分压及氧含量，同时也无需调整核电结构材料的化学组分，而是在现有化学组分的基础上，通过调整核电结构材料自身的组织结构，提高其抗铅铋合金腐蚀性能，具有操作简便，适应性强的特点。为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：一种提高核电结构材料抗铅铋合金腐蚀性能的方法，该方法是采用表面纳米化技术对核电结构材料进行表面处理，使材料表面形成梯度纳米结构和组织细化结构层，经过表面纳米化处理的核电结构材料在液态铅铋合金中产生厚度小于5μm的致密钝化膜，该钝化膜减缓了核电结构材料在液态铅铋合金中的腐蚀，从而提高核电结构材料的抗铅铋合金腐蚀性能。所述核电结构材料为低活化铁素体/马氏体钢。所述表面纳米化技术是采用表面纳米化设备对材料表面进行处理；所述表面纳米化设备包括表面纳米化加工头、冷却润滑系统和自动变位系统；所述表面纳米化加工头由硬质球、支撑系统(包括保持架及支撑刀柄)组成，支撑系统为硬质球提供保持与支撑的作用；所述冷却润滑系统由润滑油路及冷却润滑液供给系统组成；所述自动变位系统由刀架及夹持系统组成，所述表面纳米化加工头固定于刀架上，其运动行为由刀架带动；所述核电结构材料试件通过夹持系统夹持。所述表面纳米化技术过程为：核电结构材料回转试件通过夹持系统装夹在表面纳米化设备上；核电结构材料回转试件以线速度v1高速旋转的同时，表面纳米化加工头的硬质球压入回转试件所需深度Δxi，并在刀架带动下沿规划的路径以进给速度v2轴向进给至预设位置即完成一次表面纳米化加工过程；重复上述加工过程n次，每次加工过程的Δxi(i≤n)保持固定；在表面纳米化加工过程中冷却润滑系统为硬质球与支撑系统接触区域、硬质球与核电结构材料回转试件接触区域提供润滑与冷却。所述表面纳米化技术过程中，所述核电结构材料回转试件旋转线速度v1为1.0×104mm/min-1.0×105mm/min，所述硬质球压入回转试件深度Δxi为10-300μm，所述表面纳米化加工头轴向进给速度v2为1.0×10-2mm/r-1.0×10-1mm/r，所述表面纳米化加工次数n为2-10。所述梯度纳米结构是指从材料表层至内部依次为纳米晶、亚微米晶、微米级粗晶，即材料晶粒尺寸由表至里呈梯度变化。所述组织细化结构层是指核电结构材料经过表面纳米化加工后，所述核电结构材料表面晶粒细化，其中最表层晶粒尺寸细化为50nm以下，产生的组织细化结构层的层深不小于100μm。所述核电结构材料经过表面纳米化加工后，表面光洁度有显著提升，表面粗糙度Ra值小于0.3μm；材料表层显微硬度随深度方向呈梯度减小的分布状态，最表层显微硬度值比基体高20％以上。经测定，所述具有梯度纳米结构和组织细化结构层的核电结构材料在液态铅铋合金中产生厚度小于5μm的致密的钝化膜，其化学组分主要包括Fe、Cr、Mn、Si和O，该钝化膜阻止核电结构材料在液态铅铋合金中的腐蚀；而具有粗晶结构的原始材料在液态铅铋合金中产生厚度大于20μm的氧化层，该氧化层形貌上具有双层结构，即外层主要为Fe与O的化合物，内层主要为Fe、Si、Cr的氧化物，层间存在裂纹及孔洞等缺陷，氧化层降低了核电结构材料抗铅铋合金腐蚀性能，容易产生氧化腐蚀失效。因此，具有梯度纳米结构及组织细化结构的核电结构材料的抗铅铋合金腐蚀性能相比具有粗晶结构的原始材料有显著提升。本专利技术的专利技术构思是：改变现有的调整核电结构材料的化学组分以提高其抗铅铋合金腐蚀性能的方式，而是通过调整核电结构材料的组织结构，特别是低活化铁素体/马氏体钢的组织结构，通过在其结构中引入表面梯度纳米结构及组织细化结构，从而在液态铅铋合金中产生致密的钝化膜(富Cr、Mn的氧化物)，该钝化膜的化学组分主要包括Fe、Cr、Mn、Si和O，该钝化膜将阻止核电结构材料在液态铅铋合金中的腐蚀。该钝化膜的引入方式是通过向核电结构材料中引入表面梯度纳米结构及组织细化结构实现的，表面梯度纳米结构及组织细化结构具有晶界多的特点，其晶界数量与粗晶结构相比呈数量级的增加，这就为原子扩散提供了更多通道，有利于低活化铁素体/马氏体钢中Cr、Mn等元素向材料表面的快速扩散并在表面富集，与Fe、O等元素发生化学反应产生致密的钝化膜，阻止材料在液态铅铋合金中的腐蚀。相反，具有粗晶结构的原始材料在液态铅铋合金中会产生厚度大于20μm的氧化层，该氧化层形貌上具有双层结构，即外层主要为Fe与O的化合物，内层主要为Fe、Si、Cr的氧化物，层间存在裂纹及孔洞等缺陷，该氧化层降低了核电结构材料抗铅铋合金腐蚀性能，容易产生氧化腐蚀失效。由此通过引入表面梯度纳米结构及组织细化结构，从而在核电结构材料表面形成致密的钝化膜，实现了在不改变材料成分的前提下，提高核电结构材料的抗铅铋合金腐蚀性能，这成为推动低活化铁素体/马氏体钢作为核电结构材料在ADS系统中应用的有效解决方案。此外，尽管现有技术中已经存在表面纳米化技术，但是，针对低活化铁素体/马氏体钢的表面梯度纳米结构的技术尚未存在，更重要的，现有的所有关于表面纳米化的技术均未提及通过向低活化铁素体/马氏体钢中引入表面梯度纳米结构及组织细化结构，能够改善抗铅铋合金腐蚀性能。本专利技术与现有的提高核电结构材料抗铅铋合金腐蚀性能的方法相比有以下优点：(1)本专利技术从核电结构材料自身的抗铅铋合金腐蚀性能的角度出发，利用表面梯度纳米结构及组织细化结构从根本上提升本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提高核电结构材料抗铅铋合金腐蚀性能的方法，其特征在于：该方法是采用表面纳米化技术对核电结构材料进行表面处理，使材料表面形成梯度纳米结构和组织细化结构层，经过表面纳米化处理的核电结构材料在液态铅铋合金中产生厚度小于5μm的致密钝化膜，该钝化膜减缓了核电结构材料在液态铅铋合金中的腐蚀，从而提高核电结构材料的抗铅铋合金腐蚀性能。

【技术特征摘要】
1.一种提高核电结构材料抗铅铋合金腐蚀性能的方法，其特征在于：该方法是采用表面纳米化技术对核电结构材料进行表面处理，使材料表面形成梯度纳米结构和组织细化结构层，经过表面纳米化处理的核电结构材料在液态铅铋合金中产生厚度小于5μm的致密钝化膜，该钝化膜减缓了核电结构材料在液态铅铋合金中的腐蚀，从而提高核电结构材料的抗铅铋合金腐蚀性能。2.根据权利要求1所述的提高核电结构材料抗铅铋合金腐蚀性能的方法，其特征在于：所述核电结构材料为低活化铁素体/马氏体钢。3.根据权利要求1所述的提高核电结构材料抗铅铋合金腐蚀性能的方法，其特征在于：所述表面纳米化技术是采用表面纳米化设备对材料表面进行处理；所述表面纳米化设备包括表面纳米化加工头、冷却润滑系统和自动变位系统；所述表面纳米化加工头由硬质球、支撑系统(包括保持架及支撑刀柄)组成，支撑系统为硬质球提供保持与支撑的作用；所述冷却润滑系统由润滑油路及冷却润滑液供给系统组成；所述自动变位系统由刀架及夹持系统组成，所述表面纳米化加工头固定于刀架上，其运动行为由刀架带动；所述核电结构材料试件通过夹持系统夹持。4.根据权利要求3所述的提高核电结构材料抗铅铋合金腐蚀性能的方法，其特征在于：所述表面纳米化技术过程为：核电结构材料回转试件通过夹持系统装夹在表面纳米化设备上；核电结构材料回转试件以线速度v1高速旋转的同时，表面纳米化加工头的硬质球压入回转试件所需深度Δxi，并在刀架带动下沿规划的路径以进给速度v2轴向进给至预设位置即完成一次表面纳米化加工过程；重复上述加工过程n次，每次加工过程的Δxi(i≤n)保持固定；在表面纳米化加工过程中冷...

【专利技术属性】
技术研发人员：张伟华，王镇波，卢柯，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21