[发明专利]一种锆铌合金表面非化学计量比氧化膜及其制备方法

说明书

本发明提供了一种锆铌合金表面非化学计量比氧化膜及其制备方法，将锆铌合金材料表面依次进行研磨和抛光，在含氧气氛炉中对锆铌合金进行直接氧化处理。本发明在锆铌合金材料表面获得锆氧比为1:(1～2)的非化学计量比的氧化膜，膜层的努氏硬度可达1200～1500HK。本发明所提供的锆铌合金材料表面制备非化学计量比氧化锆膜的方法，可有效改善锆铌合金的努氏硬度、提高表面氧化膜的致密性，从而改善其耐磨性和耐蚀性。

技术领域

本发明涉及材料表面处理技术领域，尤其涉及一种锆铌合金表面非化学计量比氧化膜及其制备方法。

背景技术

锆合金具有密度低、比强度高、耐腐蚀、加工性能优异、热中子吸收截面低等一系列优异的特点，早在1952年美国就利用锆开始制造核反应堆包壳材料。随着核反应堆向高燃耗方向发展，新型的锆合金大量涌现，其中，铌元素因具有较小的热中子吸收截面，可以减少合金的吸氢量而引起研究者的关注，研究发现铌元素可消除Ti、C、Al等杂质元素对锆合金耐腐蚀性能的危害，而且还具有提高合金力学性能的作用。

目前，锆铌合金主要作为反应堆压力管及堆芯等结构材料使用。近年来，对锆铌合金性能的进一步深入研究发现其具有良好生物相容性，可作为生物医学植入关节(如髋关节、膝关节)材料使用，由此开拓了其在生物医用领域的应用。但是随着核工业和医疗事业的发展，发现锆铌合金材料在使用过程中的失效多数是由于表面先失效而引起的整体失效，特别是由于锆铌合金的硬度低和表面氧化膜致密性差导致了表面耐磨性和耐蚀性不足，因此需要对锆铌合金材料进行表面改性处理。

物理气相沉积、激光表面改性、热等静压技术、冷喷涂技术、微弧氧化等表面改性处理方法都可用于提高锆铌合金的硬度、耐磨性和耐蚀性。其中，直接氧化是一种简单、易操作且经济的表面改性处理方法。氧化过程可以分为五个阶段：初期氧化阶段是气-固反应阶段，可分为三个阶段，即先是气相氧分子与金属表面的碰撞，然后是氧分子的物理吸附，最后是氧分子的分解与化学键的结合；第四个阶段开始是氧化层的生长阶段，受金属的组织结构、表面状态及与氧的相互作用等因素的影响；第五个阶段，即最后阶段是保护性或非保护性氧化层的形成。

锆铌合金的氧化主要存在抛物线规律和线性规律两种氧化机制，即随着氧化时间增加，会出现氧化转折点。研究表明：锆铌合金在氧化开始时遵循抛物线规律，合金表面生成一层均匀的具有保护性的氧化膜，该氧化膜的锆氧比为1:(1～2)，膜层致密，几乎没有裂纹或微孔；当出现氧化转折点后，合金进入后氧化阶段，合金表面生成锆氧比为1:2的氧化膜，膜层中通常含有大量微孔和裂纹，这会直接影响锆铌合金材料的硬度、耐磨性和耐蚀性。

发明内容

本发明的目的在于解决锆铌合金材料硬度低、表面耐磨性和耐蚀性不足的问题，提供一种显微硬度高、耐磨性和耐蚀性好的锆铌合金表面非化学计量比氧化膜。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种锆铌合金表面非化学计量比氧化膜的制备方法，包括如下步骤：

将锆铌合金进行表面处理；所述表面处理包括依次进行的研磨和抛光；

在含氧量为(0.021～0.21)×10⁵Pa的氧化气氛中，将表面处理后的锆铌合金进行氧化处理，在锆铌合金表面形成非化学计量比氧化膜；所述氧化处理的温度为500～600℃；所述氧化处理的时间为3～7h。

优选的，所述锆铌合金包括以下组分：Nb2～5wt％，Hf＜0.005wt％，O0.1～0.2wt％，Zr94.8～97.8wt％。

优选的，所述研磨为使用砂纸将锆铌合金研磨至表面粗糙度Ra＜50nm。

优选的，所述抛光为使用SiO₂抛光液将研磨后的锆铌合金抛光至镜面。

优选的，所述氧化气氛包括空气气氛、氧气气氛或原子氧气氛。