[发明专利]一种金属铀表面渗硅改性层及其制备方法、制备装置

说明书

本发明公开了一种金属铀表面渗硅改性层及其制备方法、制备装置，在金属铀表面的渗硅改性层；所述渗硅改性层的为陶瓷态的铀硅氧钝化膜；所述渗硅改性层的厚度为不低于200nm；本发明还公开了一种金属铀表面渗硅改性层的制备方法和制备装置，在真空度不超过30Pa的真空室中，以氩气和含硅元素的气体作为反应气体，采用脉冲激光扫描系统对温度为160~170℃的工件进行表面扫描。本发明在金属铀表面形成杂质含量低、化学稳定性高、与基体结合紧密的铀硅氧渗硅改性层，其具备良好的耐腐蚀能力，也为金属铀提供了一种解决铀表面防腐蚀问题的全新途径。另外，本发明对工件形状没有特殊要求，既适用于平面工件又适用于异形工件，具有较强的适应性。

技术领域

本发明涉及金属表面钝化膜制备技术领域，具体涉及一种金属铀表面渗硅改性层及其制备方法、制备装置。

背景技术

作为重要的核材料，金属铀在核工程上具有广泛的用途。铀元素的价电子结构特殊(5f³6d¹7s²)，以及标准电极电势极低(-1.5V)，导致金属铀化学性质活泼，极易与环境介质作用而受到腐蚀，进而影响其物理、化学性能乃至于核性能。长期以来，金属铀的表面腐蚀行为与防护技术研究受到极大关注，通常需要在铀表面制备钝化层，以有效防止其在环境遭受腐蚀。

常规的铀表面钝化处理方法是在高温高压条件下，经过长时间的氮化处理，使金属表面氮化，以及通过离子注入氮化和等离子体渗氮等，在金属表面形成钝化膜。中国工程物理研究院龙重等研究人员在《材料热处理学报》(2008年10月，第29卷，第5期，139-142页)发表的论文《铀表面全方位离子注入渗氮处理研究》中，介绍了使用离子注入机将能量为40～60keV的氮离子注入到金属铀表面内，形成了一定厚度的掺氮钝化层，该掺氮钝化层具有一定的抗腐蚀能力。

金属铀渗氮防腐蚀处理的核心思想在于通过在金属铀表面引入新元素，改变其表面氧化过程，延缓氧化腐蚀向基体的发展速度，但是氮元素本身在氧化过程中是处于亚稳态的。长时间的氧化或高温环境下的剧烈氧化会导致金属氮化物中的氮元素最终逸出表面。相比较而言，硅是一种在氧化过程中具有较强稳定性的非金属元素，其在氧化过程中可转化为二氧化硅，并可与金属氧化物进一步反应形成硅酸盐。无论是金属硅化物、二氧化硅还是硅酸盐均可能在材料表面稳定存在，形成对材料表面的持续防护效果。1952年美国阿贡国家实验室的Mcwhirter J W和Draley J E在《Aqueous Corrosion of Uranium andalloys》一文中报告了铀硅化合物在高温下表现出优于贫铀的耐水腐蚀特性。铀硅化物具有很好的稳定性。1996年韩国原子能研究所的Kweon HoKang等(Kang K H,Kim K S,Kim KJ,et al.Oxidation behavior of U₃Si(3.9wt％Si)in air at 250–400℃.Journal ofNuclear Materials,1996,228(2):220-226.)报道了在573K以下，铀硅化物耐空气氧化能力显著高于贫铀。另一方面，渗硅是提高金属表面耐腐蚀、耐磨损性能的一种有效技术，与固相渗硅相比，采用硅烷作为渗硅剂进行气相渗硅具有反应温度相对较低，处理对象的几何适应性较强，改性后表面耐腐蚀性能较好的优势。