一種低溫高負載狀況下材料表面的無界面強化處理方法
2023-09-19 12:08:45 3
一種低溫高負載狀況下材料表面的無界面強化處理方法
【專利摘要】本發明屬於材料的表面強化處理【技術領域】，具體涉及一種低溫高負載狀況下材料表面的無界面強化處理方法。本發明的方法包括以下步驟：步驟1基材預處理；步驟2清洗基材表面；步驟3離子注入。本發明的方法解決了現有技術中不鏽鋼材料低溫下難以兼備良好力學性能和耐磨損性能的技術問題；通過一種特殊的離子束表面強化處理方法，使低溫下的不鏽鋼材料兼具良好力學性能和耐摩擦磨損性能，從而滿足聚變反應堆裝置內對不鏽鋼材料的高力學及磨損性能要求。
【專利說明】一種低溫高負載狀況下材料表面的無界面強化處理方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於材料的表面強化處理【技術領域】，具體涉及一種低溫高負載狀況下材料表面的無界面強化處理方法。
【背景技術】
[0002]在聚變反應堆裝置內某些部位結構材料需要在超低溫(_196°C )、高應力工程載荷下長時間服役，所以要求其不僅具有良好的剛度，能承受強熱應力、強電磁力、且低溫下要有良好的柔韌性和耐疲勞磨損性能。
[0003]現有的不鏽鋼材料不能直接滿足上述要求，因此需要對材料提供一種或多種表面強化處理方式，本發明通過一種特殊的離子束表面強化處理方法，注入N和Ti離子到不鏽鋼材料表面，使其兼具良好的力學性能和耐摩擦磨損性能，從而滿足聚變反應堆裝置內對不鏽鋼材料的高力學及磨損性能的要求。
【發明內容】
[0004]本發明需要解決的技術問題為:現有技術中的不鏽鋼材料，低溫下難以兼備良好的力學性能和耐磨損性能，無法較好地滿足聚變反應過程中對其要求。
[0005]本發明的技術方案如下所述:
[0006]一種低溫高負載狀況下材料表面的無界面強化處理方法，包括以下步驟:步驟I基材預處理；步驟2清洗基材表面；步驟3離子注入。
[0007]步驟I中，對金屬基材表面進行拋光，所述金屬基材優選為316LN不鏽鋼材料。
[0008]步驟2中，對基材表面先後進行超聲波清洗、離子濺射清洗。步驟2中，優選採用丙酮或乙醇進行超聲波清洗；採用Ar+離子對金屬基材表面進行離子濺射清洗，離子濺射清洗時間可以為10-15分鐘。
[0009]步驟3中，離子注入方式可以為N離子單獨注入或N離子+Ti離子複合注入。
[0010]單獨注入N離子時:N離子的注入加速電壓可以為40KV，N離子注入劑量可以為2X1017-8X1017/cm2 ;複合注入N離子和Ti離子時:N離子的注入加速電壓可以為40KV，Ti尚子的注入加速電壓可以為60KV, N尚子、Ti尚子注入劑量比為1:1，範圍可以均為lX1017-4X1017/cm2。
[0011]步驟3中，離子注入的真空度可以為10_3_10_4Pa，離子源的N2供氣純度可以為99.999%，脈衝離子源的Ti陰極純度可以為99.8%。
[0012]本發明的有益效果為:
[0013](1)本發明的一種低溫高負載狀況下材料表面的無界面強化處理方法，通過離子束將離子注入到金屬基體表面，注入深度為0.2-1 μL?；
[0014](2)本發明的一種低溫高負載狀況下材料表面的無界面強化處理方法，強化處理後，基體金屬與注入離子之間形成強化相，產生無界面結合；
[0015](3)本發明的一種低溫高負載狀況下材料表面的無界面強化處理方法，強化處理後提高了金屬基材的表面顯微硬度，與基材相比，增加了 10%-60%，可以實現聚變反應堆對材料硬度的更高要求，充分發揮了離子注入在材料表面強化處理的優勢；
[0016](4)本發明的一種低溫高負載狀況下材料表面的無界面強化處理方法，在等離子注入時，通過調整注入離子的劑量及比率，確保了基材表面形成更多的面心立方結構YN(Ill)、Y N (200)等固溶膨脹相，從而提高不鏽鋼材料低溫下力學性能及耐磨性能；
[0017](5)本發明的一種低溫高負載狀況下材料表面的無界面強化處理方法，低溫環境(-196°C )下材料的力學性能和耐磨損性能與未強化處理前相比均有很大的提升。
[0018](6)本發明的一種低溫高負載狀況下材料表面的無界面強化處理方法，在低溫環境(-196°C )，載荷壓強大於lOkg/cm2下，採用SiN或GCrl5摩擦球磨損0-10000次後，樣品表面摩擦係數較低，耐磨性能優良。
【具體實施方式】
[0019] 下面通過實施例對本發明進行詳細說明，但本發明的保護範圍不局限於下述實施例。
[0020]本發明的一種低溫高負載狀況下材料表面的無界面強化處理方法，包括以下步驟:
[0021]步驟I基材預處理
[0022]對316LN不鏽鋼等金屬基材表面進行拋光處理。
[0023]步驟2清洗基材表面
[0024]對金屬基材表面先後進行超聲波、離子濺射清洗。
[0025]優選採用丙酮或乙醇進行超聲波清洗，採用Ar+離子對金屬基材表面驚醒濺射清洗，清洗時間為10-15分鐘。
[0026]步驟3離子注入
[0027]選用N離子單獨注入或N離子+Ti離子複合注入，採用離子束強化處理方式對金屬基材進行表面強化處理。離子注入的參數為:注入加速電壓為40-60KV ;離子注入劑量為2X1017-8X1017o離子注入機的真空度為=KT3-1O-4Pa ;離子源的N2供氣純度為99.999% ;脈衝離子源的Ti陰極純度為99.8%。
[0028]實施例1
[0029]選用市售的316LN不鏽鋼鍛件為基材材料，試樣尺寸為30mmX 30mmX 5mm，先拋光至鏡面，經丙酮、乙醇超聲波清洗，安裝在具有自轉功能的水冷樣品臺上。離子注入前，對基材用Ar+離子濺射清洗樣品表面10分鐘。採用離子注入設備進行表面強化處理，選用N離子做為注入離子，其離子注入的工藝參數見表1:
[0030]表1實施例1離子注入的工藝參數
[0031]
【權利要求】
1.一種低溫高負載狀況下材料表面的無界面強化處理方法，其特徵在於:包括以下步驟:步驟I基材預處理；步驟2清洗基材表面；步驟3離子注入。
2.根據權利要求1所述的低溫高負載狀況下材料表面的無界面強化處理方法，其特徵在於:步驟I中，對金屬基材表面進行拋光。
3.根據權利要求2所述的低溫高負載狀況下材料表面的無界面強化處理方法，其特徵在於:所述金屬基材為316LN不鏽鋼材料。
4.根據權利要求1所述的低溫高負載狀況下材料表面的無界面強化處理方法，其特徵在於:步驟2中，對基材表面先後進行超聲波清洗、離子濺射清洗。
5.根據權利要求4所述的低溫高負載狀況下材料表面的無界面強化處理方法，其特徵在於:步驟2中，採用丙酮或乙醇進行超聲波清洗，採用Ar+離子對金屬基材表面進行離子濺射清洗，離子濺射清洗時間為10-15分鐘。
6.根據權利要求4所述的低溫高負載狀況下材料表面的無界面強化處理方法，其特徵在於:步驟3中，離子注入方式為N離子單獨注入或N離子+Ti離子複合注入。
7.根據權利要求6所述的低溫高負載狀況下材料表面的無界面強化處理方法，其特徵在於:步驟3中，單獨注入N離子時:N離子的注入加速電壓為40KV，N離子注入劑量為2X1017-8X1017/cm2 ;複合注入N離子和Ti離子時:N離子的注入加速電壓為40KV，Ti離子的注入加速電壓為60KV，N離子、Ti離子注入劑量比為1:1，範圍均為lX1017-4X1017/cm2。
8.根據權利要求6所述的低溫高負載狀況下材料表面的無界面強化處理方法，其特徵在於:步驟3中，離子注入的真空度為KT3-1O-4Pa,離子源的N2供氣純度為99.999%，脈衝離子源的Ti陰極純度為99.8%。
【文檔編號】C23C14/48GK103898469SQ201210575283
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2012年12月26日 優先權日:2012年12月26日
【發明者】廖敏, 羅蓉蓉, 李鵬遠, 韓石磊, 孫振超, 周曉璐, 許丹, 鄢華男, 王躍 申請人:核工業西南物理研究院