CN104046954B - 一种提高马氏体耐热钢耐液态金属腐蚀的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种在马氏体耐热钢表面进行耐液态金属腐蚀处理的方法，通过电弧离子镀在金属表面预置一层铝后，采用激光熔覆工艺处理并且控制表面铝活度，以形成致密稳定的氧化铝，从而有效的提高金属的耐液态金属腐蚀性能，延长金属材料的使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于金属表面处理技术领域，特别提供一种对金属表面进行涂层、激光熔覆处理的工艺方法。
背景技术
随着环境和安全问题的日益突出，以及传统能源的逐渐枯竭，新型能源的开发迫在眉睫。ADS嬗变系统(Accelerator Driven Transmutation System)是应对上述挑战的理想选择之一，ADS嬗变系统以其高效利用核废料及高的系统安全性，解决了一直制约着核电可持续发展的核废料处理问题，是目前最具发展前途的新型能源系统之一。因具有良好的热物理性质和化学性质，液态铅、液态铅铋共晶(lead-bismuth eutectic)被视为ADS嬗变系统散裂靶兼冷却剂的首选材料。
9～12％Cr马氏体耐热钢具有良好的高温力学性能、高的热导率、低的热膨胀系数和低辐照肿胀率，已成为ADS等先进核反应系统的包层和包壳候选结构材料。但ADS苛刻的工作环境(高温、辐照、液态金属腐蚀)，对9～12％Cr马氏体耐热钢结构材料提出了新的挑战，且随着设备服役温度的提高和面临的更为苛刻的腐蚀性环境，需要进一步要求提高结构材料的耐腐蚀性能。
通过合适的表面改性工艺可以更进一步提高ADS嬗变系统用9～12％Cr马氏体耐热钢的耐腐蚀性能。研究表明，铝的质量分数控制在5％～20％可以在液态LBE中形成一层致密的氧化铝，抑制铁离子的向外扩散和氧离子的向内扩散，从而保护基体金属免受液态金属的腐蚀。但由于铝活度高，如果直接在基体中添加5％以上的Al，易生成复杂的铝的化合物，恶化金属的力学性能等。因此，亟待一种合适的表面处理方法，在不影响金属的力学性能的同时保证铝的质量分数控制在5％～20％，以期形成致密稳定的氧化铝，从而达到保护金属基体免受LBE腐蚀的目的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在马氏体耐热钢表面进行耐液态金属腐蚀处理的方法，通过电弧离子镀在金属表面预置一层铝后，采用激光表面熔覆工艺控制金属表面铝活度，以形成致密稳定的氧化铝，阻碍铁和氧离子的向内和向外扩散，从而有效的提高金属的耐液态金属腐蚀性能，延长金属材料的使用寿命。
本发明具体提供了一种提高马氏体耐热钢耐液态金属腐蚀的方法，其特征在于：首先在马氏体耐热钢表面预置铝层，然后通过激光熔覆工艺处理使预置的铝层与金属基体冶金结合，且控制铝的质量分数在5％～20％之间，最终在液态金属中形成连续致密的氧化铝来保护金属基体。
本发明所述提高马氏体耐热钢耐液态金属腐蚀的方法，其特征在于：该方法适用于9～12％Cr马氏体耐热钢。
本发明所述提高马氏体耐热钢耐液态金属腐蚀的方法，其特征在于：所述马氏体耐热钢的化学成分为：0＜C＜0.5％，0＜Si＜3％，8.5％＜Cr＜13％，0≤Mo＜3％，0≤W＜3％，0％＜Mn＜2.0％，0＜Ta+Nb＜2.0％，0％＜V＜0.5％，余量为铁。
本发明所述提高马氏体耐热钢耐液态金属腐蚀的方法，其特征在于：采用电弧离子镀方法在马氏体耐热钢表面预置铝层。
本发明所述提高马氏体耐热钢耐液态金属腐蚀的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、对金属表面进行预处理：用金相砂纸打磨金属试样，并对其进行表面湿喷砂，经金属洗涤剂清洗后在去离子水中超声清洗，烘干；
(2)、采用电弧离子镀在金属表面预置铝层，铝靶的纯度在99％以上：电弧离子镀工艺条件：真空室真空度小于8×10-3Pa，保护气体气压保持在0.1－0.3Pa，炉腔温度为100－150℃，偏压-1000V－﹣800V，电弧电流为50－60A，预溅射清洗3－5min，保持其它参数不变，偏压调整为﹣200－﹣250V，在金属基体上沉积一层铝层；
(3)、激光熔覆工艺：利用激光束的能量将预置在金属基体上的铝涂层原料熔化，同时使金属基体表层发生熔化，形成与铝为冶金结合的熔覆涂层，且熔覆层中铝的质量分数控制在5％～20％之间；
(4)、热处理：将激光熔覆工艺处理后的金属在400℃±50℃真空热处理，保温时间为2h±0.5h。
本发明所述提高马氏体耐热钢耐液态金属腐蚀的方法，其特征在于：步骤(2)中在金属基体上沉积的铝层厚度优选为5～10μm。
本发明的有益效果：
本发明采用电弧离子镀在马氏体耐热钢表面预置铝层，然后通过激光熔覆表面改性工艺使预置在金属基体的铝层与金属基体表层形成冶金结合的熔覆层，且熔覆层中铝的质量分数控制在一定范围内，在LBE中形成连续稳定的氧化铝，从而保护金属基体。因为熔覆层是由预置铝层和金属基体同时熔化，并快速凝固后形成的稀释度极低，且与基体成冶金结合的表面涂层，极大地提高涂层与金属基体之间的粘着力，降低涂层与金属基体剥落的可能性，显著改善金属材料的耐腐蚀、抗氧化等性能。与此同时，薄的熔覆层不会影响金属基体的力学性能，杜绝了在金属基体添加一定铝含量带来的金属材料性能的恶化。有效地提高马氏体耐热钢的耐液态金属腐蚀性能，延长其使用寿命。
附图说明
图1为实施例1预置铝层后和激光熔覆处理后的XRD。
图2为实施例1激光熔覆热处理后的截面形貌。
图3为实施例1在600℃饱和氧铅铋共晶中腐蚀500小时的截面形貌。
图4为对比例1在600℃饱和氧铅铋共晶中腐蚀500小时的截面形貌。
图5为对比例2在600℃饱和氧铅铋共晶中腐蚀500小时的截面形貌。
具体实施方式
以下实施例将对本发明做进一步描述。
实施例1
(1)对金属表面进行预处理：将15mm×10mm×2mm尺寸的金属试样用金相砂纸逐级打磨至800号，并将所有棱角边倒成圆角，用200目玻璃丸进行表面湿喷砂，经金属洗涤剂清洗后在去离子水中超声清洗，烘干。
(2)、采用电弧离子镀在金属表面预置铝层，铝靶的纯度在99％以上：电弧离子镀工艺条件：真空室真空度9.5×10-3Pa，保护气体气压保持为在2Pa，炉腔温度为130℃，偏压﹣800V，电弧电流为55A，预溅射清洗3min，保持其它参数不变，偏压调整为﹣225V，在金属基体上沉积厚度为8μm的铝层；
(3)、激光熔覆工艺：利用激光束的能量将预置在金属基体上的铝涂层原料熔化，同时使金属基体表层发生熔化，形成与铝为冶金结合的熔覆涂层，且熔覆层中铝的质量分数为10～12％，激光束主要供工艺参数：电流100A，脉宽：10ms，频率：4Hz；
(4)、后热处理：将激光熔覆工艺处理后的金属在400℃真空热处理，保温时间为2h。
上述金属材料为马氏体耐热钢，具体化学成分为：C：0.25wt.％，Cr：10.8wt.％，Si：1.43wt.％，Mn：0.54wt.％，W：1.2wt.％，Ta：0.11wt.％，V：0.19wt.％，Nb：0.014wt.％，余量为铁。
镀铝后和激光熔覆热处理后的XRD见图1，图2为激光熔覆热处理后的截面形貌，图3为实施例1在600℃液态铅铋共晶中腐蚀500小时的截面形貌，其力学性能基本没有改变。
实施例2
9～12％Cr马氏体耐热钢的化学成分为：C：0.1wt.％，Cr：9.04wt.％，Si：0.26wt.％，Mn：0.46wt.％，Mo：0.92wt.％，Ni：0.17wt.％，V：0.2wt.％，Nb：0.04wt.％，余量为铁。该金属的表面处理工艺与实施例1相同。在600℃液态铅铋共晶中腐蚀500小时后截面形貌与实施例1相差不大，且其力学性能基本没有改变。
实施例3
9～12％Cr马氏体耐热钢的化学成分为：C：0.22wt.％，Cr：10.73wt.％，Si：1.56wt.％，Mn：0.67wt.％，W：1.41wt.％，Ta：0.19wt.％，V：0.21wt.％，Nb：0.01wt.％，余量为铁。该金属的表面处理工艺与实施例1相同。在600℃液态铅铋共晶中腐蚀500小时后截面形貌与实施例1相差不大，且其力学性能基本没有改变。
实施例4
9～12％Cr马氏体耐热钢的化学成分为：C：0.23wt.％，Cr：9.93wt.％，Si：1.3wt.％，Mn：1.09wt.％，W：1.16wt.％，Ta：0.1wt.％，V：0.2wt.％，Nb：0.01wt.％，余量为铁。该金属的表面处理工艺与实施例1相同。在600℃液态铅铋共晶中腐蚀500小时后截面形貌与实施例1相差不大，且其力学性能基本没有改变。
实施例5
9～12％Cr马氏体耐热钢的化学成分为：C：0.32wt.％，Si：1.4wt.％，Cr：11.2wt.％，Mn：0.53wt.％，W：1.43wt.％，Ta：0.15wt.％，V：0.2wt.％，Ni：0.09wt.％，余量为铁。该金属的表面处理工艺与实施例1相同。在600℃液态铅铋共晶中腐蚀500小时后截面形貌与实施例1相差不大，且其力学性能基本没有改变。
对比例1
将15mm×10mm×2mm尺寸的金属试样用金相砂纸逐级打磨至2000号，并将所有棱角边倒成圆角，经金属洗涤剂清洗后在去离子水中超声清洗，烘干，金属材料的化学成分与实施例1相同。图4为对比例1在600℃液态铅铋共晶中腐蚀500小时的截面形貌。
对比例2
将15mm×10mm×2mm尺寸的金属试样用金相砂纸逐级打磨至2000号，并将所有棱角边倒成圆角，经金属洗涤剂清洗后在去离子水中超声清洗，烘干，金属材料的化学成分与实施例2相同。图5为对比例2在600℃液态铅铋共晶中腐蚀500小时的截面形貌。
对比例3
将15mm×10mm×2mm尺寸的金属试样用金相砂纸逐级打磨至2000号，并将所有棱角边倒成圆角，经金属洗涤剂清洗后在去离子水中超声清洗，烘干，金属材料的化学成分与实施例3相同。在600℃液态铅铋共晶中腐蚀500小时截面形貌与对比例1相差不大。
对比例4
将15mm×10mm×2mm尺寸的金属试样用金相砂纸逐级打磨至2000号，并将所有棱角边倒成圆角，经金属洗涤剂清洗后在去离子水中超声清洗，烘干，金属材料的化学成分与实施例4相同。在600℃液态铅铋共晶中腐蚀500小时截面形貌与对比例1相差不大。
对比例5
将15mm×10mm×2mm尺寸的金属试样用金相砂纸逐级打磨至2000号，并将所有棱角边倒成圆角，经金属洗涤剂清洗后在去离子水中超声清洗，烘干，金属材料的化学成分与实施例5相同。在600℃液态铅铋共晶中腐蚀500小时截面形貌与对比例1相差不大。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种提高马氏体耐热钢耐液态金属腐蚀的方法，其特征在于：首先在马氏体耐热钢表面预置铝层，然后采用激光熔覆工艺使马氏体耐热钢表面形成与铝为冶金结合的熔覆层，且熔覆层中铝的质量分数控制在5％～20％之间；所述马氏体耐热钢为9～12％Cr马氏体耐热钢。
2.按照权利要求1所述提高马氏体耐热钢耐液态金属腐蚀的方法，其特征在于，所述马氏体耐热钢的化学成分为：0＜C＜0.5％，0＜Si＜3％，9％＜Cr＜12％，0≤Mo＜3％，0≤W＜3％，0％＜Mn＜2.0％，0＜Ta+Nb＜2.0％，0％＜V＜0.5％，余量为铁。
3.按照权利要求1所述提高马氏体耐热钢耐液态金属腐蚀的方法，其特征在于：采用电弧离子镀方法在马氏体耐热钢表面预置铝层。
4.按照权利要求1所述提高马氏体耐热钢耐液态金属腐蚀的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、对金属表面进行预处理：用金相砂纸打磨金属试样，并对其进行表面湿喷砂，经金属洗涤剂清洗后在去离子水中超声清洗，烘干；
(2)、采用电弧离子镀在金属表面预置铝层，铝靶的纯度在99％以上：电弧离子镀工艺条件：真空室真空度小于8×10-3Pa，保护气体气压保持在0.1－0.3Pa，炉腔温度为100－150℃，偏压-1000V－﹣800V，电弧电流为50－60A，预溅射清洗3－5min，保持其它参数不变，偏压调整为﹣200－﹣250V，在金属基体上沉积一层铝层；
(3)、激光熔覆工艺：利用激光将预置在金属基体上的铝涂层原料熔化，同时使金属基体表层发生熔化，形成与铝为冶金结合的熔覆涂层；
(4)、热处理：将激光熔覆工艺处理后的金属在400℃±50℃真空热处理，保温时间为2h±0.5h。
5.按照权利要求4所述提高马氏体耐热钢耐液态金属腐蚀的方法，其特征在于：步骤(2)中在金属基体上沉积的铝层厚度为5～10μm。
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