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反应堆用钛合金表面的离子注入及其耐蚀性和抗磨损机理研究

刘彦章  
【摘要】: 钛合金因其具有独特的机械性能、无磁性、低密度、高熔化温度、在各种介质中的耐腐蚀性能良好,加热到400℃仍保持其各项机械性能,而越来越广泛地用于水冷动力反应堆结构材料。反应堆用钛合金因其工况条件非常苛刻而易引起磨损和腐蚀等,可造成材料表层破坏,引起核污染。当前核能领域提出的高燃耗、长寿期以及零破损目标使得提高钛合金的耐蚀性和耐磨性有着更加重要的意义。 本文结合核动力反应堆用钛合金材料的使用条件,以我国自行研制的新型钛合金材料TA16和TA17为研究对象,对以下几个方面作了系统研究:非金属元素氮,合金化元素Al、Nb,具有特殊性能的元素Ni、Ta等的单独或混合注入对两种钛合金抗磨损和耐腐蚀性能的影响;升温氮离子注入和氮离子注入后的退火处理对两种钛合金抗磨损和耐腐蚀性能的影响。得出的主要结论为: 1.氮离子注入钛合金后,在低剂量下形成的相主要是四方结构的ε-Ti_2N,随着氮注入剂量的增加,立方结构的δ-TiN逐渐增多,两相之间比例的转化存在一剂量临界值,而且此剂量临界值会随着离子注入条件和合金元素的不同而有所变化;当氮离子注入剂量较低时,剂量的增加可以显著改善合金的耐蚀性,其原因在于氮注入后在合金表面形成的氮化物易与氧发生反应,形成细小的氮氧化物(TiN_xO_y),它们在合金表层弥散分布形成阻挡层,有效地阻挡了氧离子向合金内部扩散和金属离子向外部扩散,使得合金的腐蚀速率显著下降。而当注入剂量增加到一定程度后(≥1×10~(17)ions/cm~2),耐蚀性反而下降。 当氮注入剂量高于8×10~(16)ions/cm~2时,可以明显改善合金的耐磨性。其原因在于较高剂量氮注入的试样,表面形成的氮化钛的硬度远高于钛基材,可以防止在磨损过程中磨体发生局部粘结和剥落,从而大大增强耐磨性。 2.镍钽离子单独注入后,钛合金的腐蚀电位明显提高,钝化电流密度大大降低,改善了合金的耐蚀性。混合注入后,试样的耐蚀性比单独注入时更好,且混合注入时随镍剂量的增加,活化-钝化过渡区逐渐向低电位方向移动。 镍单独注入对抗磨损影响不大,而钽离子注入则能明显改善合金表面的抗磨损。混合注入时当钽剂量达到1×10~(17)ions/cm~2时,抗磨损效果最好,但混合注入下镍剂量抗磨损效果影响不大。 3.铝注入后,合金的腐蚀电位明显提高,但腐蚀电位随剂量增加变化不明显,钝化电流密度随剂量增加则明显降低。Nb注入后,腐蚀电位有小幅提高,但电流密度显著降低,与铝注入的情况相似,铌注入剂量增加到一定程度后,电流密度反而升高。综合研究表明,5×10~(17) Al~+/cm~2和1×10~(17) Nb+/cm~2注入的试样具有较好的耐蚀性。 铝注入对改善钛合金抗磨损性能不明显,虽然铌注入的试样在剂量较低时摩擦系数起伏比较明显,但随着剂量的增加这种现象逐渐消失并使摩擦系数达到低于0.2的水平,大大改善了钛合金的抗磨损性能。 4.当退火温度较低时,退火处理对经氮注入试样的耐蚀性影响很小,但当温度升高到600℃后,对耐蚀性有显著影响:起初耐蚀性较差的低剂量试样的耐蚀性逐渐改善,而起初耐蚀性相对较好的试样则随着退火温度的升高变差,这可能与退火过程中氮化物的长大有关。在本实验设定的温度范围内,注入温度对氮离子注入钛合金试样的钝化电流密度影响不大,但腐蚀电位降低。 所有低于500℃的退火处理都不能有效提高合金的显微硬度,只有当温度达到600℃及以上时显微硬度才得到显著改善。当退火温度低于500℃时,退火处理对经同一条件下氮注入的试样的摩擦系数影响很小,而当退火温度达到600℃及以上时,不但摩擦系数显著降低,而且在本实验设定的循环次数内试样不会被磨穿。注入温度对磨损性能的影响与退火时的情况类似。


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