一種低溫高負(fù)載狀況下材料表面的無界面強化處理方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于材料的表面強化處理【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種低溫高負(fù)載狀況下材料表面的無界面強化處理方法。本發(fā)明的方法包括以下步驟：步驟1基材預(yù)處理；步驟2清洗基材表面；步驟3離子注入。本發(fā)明的方法解決了現(xiàn)有技術(shù)中不銹鋼材料低溫下難以兼?zhèn)淞己昧W(xué)性能和耐磨損性能的技術(shù)問題；通過一種特殊的離子束表面強化處理方法，使低溫下的不銹鋼材料兼具良好力學(xué)性能和耐摩擦磨損性能，從而滿足聚變反應(yīng)堆裝置內(nèi)對不銹鋼材料的高力學(xué)及磨損性能要求。
【專利說明】一種低溫高負(fù)載狀況下材料表面的無界面強化處理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于材料的表面強化處理【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種低溫高負(fù)載狀況下材料表面的無界面強化處理方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在聚變反應(yīng)堆裝置內(nèi)某些部位結(jié)構(gòu)材料需要在超低溫(_196°C )、高應(yīng)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(yīng)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(xiàn)有的不銹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(fā)明通過一種特殊的離子束表面強化處理方法，注入N和Ti離子到不銹鋼材料表面，使其兼具良好的力學(xué)性能和耐摩擦磨損性能，從而滿足聚變反應(yīng)堆裝置內(nèi)對不銹鋼材料的高力學(xué)及磨損性能的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明需要解決的技術(shù)問題為:現(xiàn)有技術(shù)中的不銹鋼材料，低溫下難以兼?zhèn)淞己玫牧W(xué)性能和耐磨損性能，無法較好地滿足聚變反應(yīng)過程中對其要求。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案如下所述:
[0006]一種低溫高負(fù)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(yù)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(yōu)選為316LN不銹鋼材料。
[0008]步驟2中，對基材表面先后進行超聲波清洗、離子濺射清洗。步驟2中，優(yōu)選采用丙酮或乙醇進行超聲波清洗；采用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離子復(fù)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 ;復(fù)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，范圍可以均為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%，脈沖離子源的Ti陰極純度可以為99.8%。
[0012]本發(fā)明的有益效果為:
[0013](1)本發(fā)明的一種低溫高負(fù)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(fā)明的一種低溫高負(fù)載狀況下材料表面的無界面強化處理方法，強化處理后，基體金屬與注入離子之間形成強化相，產(chǎn)生無界面結(jié)合；
[0015](3)本發(fā)明的一種低溫高負(fù)載狀況下材料表面的無界面強化處理方法，強化處理后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(xiàn)聚變反應(yīng)堆對材料硬度的更高要求，充分發(fā)揮了離子注入在材料表面強化處理的優(yōu)勢；
[0016](4)本發(fā)明的一種低溫高負(fù)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(diào)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(jié)構(gòu)YN(Ill)、Y N (200)等固溶膨脹相，從而提高不銹鋼材料低溫下力學(xué)性能及耐磨性能；
[0017](5)本發(fā)明的一種低溫高負(fù)載狀況下材料表面的無界面強化處理方法，低溫環(huán)境(-196°C )下材料的力學(xué)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(fā)明的一種低溫高負(fù)載狀況下材料表面的無界面強化處理方法，在低溫環(huán)境(-196°C )，載荷壓強大于lOkg/cm2下，采用SiN或GCrl5摩擦球磨損0-10000次后，樣品表面摩擦系數(shù)較低，耐磨性能優(yōu)良。
【具體實施方式】
[0019] 下面通過實施例對本發(fā)明進行詳細(xì)說明，但本發(fā)明的保護范圍不局限于下述實施例。
[0020]本發(fā)明的一種低溫高負(fù)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(yù)處理
[0022]對316LN不銹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]對金屬基材表面先后進行超聲波、離子濺射清洗。
[0025]優(yōu)選采用丙酮或乙醇進行超聲波清洗，采用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離子復(fù)合注入，采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(shù)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% ;脈沖離子源的Ti陰極純度為99.8%。
[0028]實施例1
[0029]選用市售的316LN不銹鋼鍛件為基材材料，試樣尺寸為30mmX 30mmX 5mm，先拋光至鏡面，經(jīng)丙酮、乙醇超聲波清洗，安裝在具有自轉(zhuǎn)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。采用離子注入設(shè)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(shù)見表1:
[0030]表1實施例1離子注入的工藝參數(shù)
[0031]
【權(quán)利要求】
1.一種低溫高負(fù)載狀況下材料表面的無界面強化處理方法，其特征在于:包括以下步驟:步驟I基材預(yù)處理；步驟2清洗基材表面；步驟3離子注入。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫高負(fù)載狀況下材料表面的無界面強化處理方法，其特征在于:步驟I中，對金屬基材表面進行拋光。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的低溫高負(fù)載狀況下材料表面的無界面強化處理方法，其特征在于:所述金屬基材為316LN不銹鋼材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫高負(fù)載狀況下材料表面的無界面強化處理方法，其特征在于:步驟2中，對基材表面先后進行超聲波清洗、離子濺射清洗。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的低溫高負(fù)載狀況下材料表面的無界面強化處理方法，其特征在于:步驟2中，采用丙酮或乙醇進行超聲波清洗，采用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(jù)權(quán)利要求4所述的低溫高負(fù)載狀況下材料表面的無界面強化處理方法，其特征在于:步驟3中，離子注入方式為N離子單獨注入或N離子+Ti離子復(fù)合注入。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的低溫高負(fù)載狀況下材料表面的無界面強化處理方法，其特征在于: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 ;復(fù)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，范圍均為lX1017-4X1017/cm2。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的低溫高負(fù)載狀況下材料表面的無界面強化處理方法，其特征在于: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%，脈沖離子源的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(yōu)先權(quán)日:2012年12月26日
【發(fā)明者】廖敏, 羅蓉蓉, 李鵬遠(yuǎn), 韓石磊, 孫振超, 周曉璐, 許丹, 鄢華男, 王躍 申請人:核工業(yè)西南物理研究院