在锆合金中获得高低温相混合非平衡组织的方法技术领域
本发明提供在锆合金中获得高低温相混合非平衡组织的方法，该方法是利用脉冲
激光束对双相锆合金材料表面进行处理，在锆合金材料表面形成具有一定深度的改性层组
织，属于金属材料处理领域。
背景技术
锆合金以其较低的热中子吸收截面，优异的耐腐蚀性能以及良好的综合力学性
能，被常用作水冷核反应堆的堆芯结构材料，如燃料包壳、压力管、支架等。随着核反应堆技
术的不断发展，对锆合金包壳材料的性能提出了更高的要求。
目前，对锆合金进行β相淬火是其生产加工过程中一个重要环节，主要目的是使合
金元素过饱和固溶于α相中，而这对于在后续加工过程中实现对第二相粒子的尺寸、分布等
特征的控制，从而优化性能极为关键。事实上，在进行一次α→β→α转变过程中，锆合金的微
观组织也会发生非常显著的变化。许多研究者对β→α相变做了大量研究，包括冷却速率，合
金成分与杂质元素对β→α相变组织的影响及β→α相变过程的变体选择行为等；如Slattery
在J Less-Common Met上发表的“The effect of cooling rate on the β/α
transformation in the zirconium/2 at.% chromium/0.16 at.% iron alloy ”(1968，
16：91-101)，以Zr-2Cr-0.16Fe合金为例，阐述了冷却速度对β→α转变的影响。以及Gey等在
J Nucl Mater发表的“Study of the β→α variant selection for a zircaloy-4 rod
heated to the β transus in presence or not of an axial tensile stress”(2004，
328：137-145)，对单相Zr-4合金β→α转变过程的变体选择形为做出相关研究。但是，由于高
温相表征的限制，目前对于α→β转变过程的研究还尚不成熟，在某些方面仍存在较大争议，
如关于双相锆合金中新生成的β相的生长方式。Daymond发表在Acta Mater的“Texture
inheritance and variant selection through an hcp–bcc–hcp phase
transformation”(2010，58：4053-4066)表明Zr-2.5Nb合金的高温β相主要是在原始晶粒的
内部形核与长大，而Sattari等在J Nucl Mater上发表的“Variant selection and
transformation texture in zirconium alloy Excel”(2014，453：120-123)以Zr-3.5Sn-
0.8Mo-0.8Nb为例，阐述了高温β相主要以外延生长的方式在原始β相周围生长。以上的争议
存在的主要原因是缺乏对锆合金α→β转变过程的微观组织的精确研究。
激光表面处理技术是将高能量密度的激光束投射到金属材料表面，并采用高速扫
描的方式，使材料表层迅速升温发生相变甚至熔化，在材料表面产生超高的温度梯度，从而
依靠向基体散热而自身冷却，导致极高的冷却速度，致使材料的受热不一致，合金元素扩散
不均匀进而导致非平衡相变，产生非平衡的混合微观组织。本发明将提供一种通过脉冲激
光处理锆合金材料，最终得到含有原始的α相、原始的β相及α板条（由新生成的β相转变而
成）组成的高温相和低温相的非平衡混合组织，以便α→β转变过程的微观组织的表征。
发明内容
本发明提供了在锆合金中获得高低温相混合非平衡组织的方法，以实现通过采用
脉冲激光设备对锆合金材料表面进行处理，获得了一种含有（未转变/已转变）高温相和低
温相的非平衡混合组织，可以方便地用于研究锆合金的α→β相变特征。此混合微观组织包
括原始的α相、原始的β相及α板条（由新生成的β相转变而成）。通过本发明所提供的方法，可
以将高温下的显微组织保留至室温，以便更容易地对锆合金的进行常规的对α→β相变进行
表征。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
首先利用线切割设备将锆合金的样品沿轧向、横向、法向分别按一定尺寸切取工件。并
依次选用400#、800#、1000#、1500#、2000#和3000#型号的水磨砂纸将样品打磨光亮，然后在
抛光液中进行电解抛光，抛光电压为20V，抛光温度为-30～-20℃，抛光时间为40～60s。电
解抛光完成后将工件迅速取出，并分别用清水与无水乙醇清洗工件表面。最后将工件表面
吹干，不留水渍痕迹。抛光液可以为现有技术中的合适液体；本发明提供一种高氯酸、甲醇
和乙二醇单丁醚混合液的抛光液，其体积分数为：5%~15%的高氯酸，65%~85%的甲醇，10%~
25%的乙二醇单丁醚。
将表面清洗处理后的样品装夹在配用的夹具上，放入脉冲激光设备的工作室内，
并向工作室内通入保护气体；如氩气、氦气等；启动脉冲激光设备，加载电压，对锆合金材料
的表面进行激光表面强化处理。脉冲激光表面强化处理的主要参数范围：激光功率20~
600W，能量密度3~50J/mm2，脉冲宽度2~6ms，离焦量2~4mm，扫描速度5~25mm/s，光束直径为
1mm，；取出经激光强化处理的样品，检验工件表面质量，适当将样品的表面机加平整。
本发明的有益效果：本发明所提供的在锆合金中获得高低温相混合非平衡组织的
方法，通过脉冲激光表面处理后的锆合金材料表面形成具有一定深度的改性层组织，在改
性层偏下方（深度在200um—900um之间）发现含有原始α相、原始β相及α板条（由新生成的β
相转变而成）组成的高温相和低温相的非平衡混合组织。室温下，该混合组织的存在使得双
相锆合金的α→β相变表征变得更加方便有效。本发明所提供的研究锆合金相变特征的有效
方法，是在研究不同参数下对Zr-2.5Nb表面激光处理过程中的性能变化规律的基础上形成
的，测试结果显示，通过本发明所提供的方法，可获得含有原始α相、原始β相及α板条（由新
生成的β相转变而成）组成的高温相和低温相的非平衡混合组织，该组织的存在便于双相锆
合金的α→β相变表征。该方法还具有操作方便、设备简单、经济实用、技术可靠、效率高、质
量稳定等优点。
附图说明
图1为实施例提供锆合金表面改性层的非平衡混合组织区域的ECC图和不同相之
间的取向关系图。
具体实施方式：
以下将结合附图和具体实施方式，对本发明进行详细说明。
本发明提供了在锆合金中获得高低温相混合非平衡组织的方法，其特征在于包括
如下步骤：
首先利用线切割设备将锆合金材料的样品沿轧向、横向、法向按工艺要求切取，获得一
定尺寸立体形状的工件。并用水磨砂纸将样品打磨光亮，具体依次选用400#、800#、1000#、
1500#和3000#型号的水磨砂纸将样品逐级打磨光亮，之后对工件进行电解抛光。电解抛光
完成后将工件迅速取出，并分别用清水与无水乙醇清洗工件表面。最后将工件表面吹干，不
留水渍痕迹。工件表面处理所用电解抛光的抛光电压为20V，抛光温度为-30～-20℃，抛光
时间为40～60s。本发明提供一种具体的电解抛光液，由高氯酸、甲醇和乙二醇单丁醚混合
得到，其配比体积分数为：5%~15%的高氯酸，65%~85%的甲醇，10%~25%的乙二醇单丁醚。
将表面清洗处理后的工件样品装夹在配用的夹具上，放入脉冲激光设备的工作室
内，并向工作室内通入氩气作为保护气体；
启动脉冲激光设备，加载电压，对锆合金材料工件的表面进行处理。脉冲激光表面强化
处理的主要参数范围：激光功率20~600W，能量密度3~50J/mm2，脉冲宽度2~6ms，离焦量2~
4mm，扫描速度5~25mm/s，光束直径为1mm，在这个参数范围内，均能实现本发明目的；
最后取出样品，检验工件表面质量，适当将样品的表面机加平整。通过脉冲激光表面处
理后的核电用锆合金材料工件表面形成具有一定深度的改性层组织，在改性层偏下方（距
工件表面约300um或更深区域，即在距离工件表面200um—900um深度之间）发现含有原始的
α相、原始的β相及α板条（由新生成的β相转变而成）组成的高温相和低温相的非平衡混合组
织。进一步的试验发现，在距离工件表面250um—550um深度范围，形成的高温相和低温相的
非平衡混合组织最明显。
本发明的锆合金材料工件，在加载电压、起动脉冲激光设备强化处理时，工件表层
迅速升温发生相变甚至熔化，在材料表面产生超高的温度梯度，从而依靠向基体散热而自
身冷却，导致极高的冷却速度，致使材料的受热不一致，合金元素扩散不均匀进而导致非平
衡相变，产生非平衡的混合微观组织，得到本发明高温相和低温相混合的非平衡混合组织。
实施例：
选取线切割后尺寸为15mm×8mm×3mm的Zr-2.5Nb试样，并依次选用400#、800#、1000#、
1500#和3000#型号的水磨砂纸将样品打磨光亮，在抛光液中进行电解抛光，抛光电压为
20V，抛光温度为-30℃，抛光时间为30s。电解抛光完成后将工件迅速取出，并分别用清水与
无水乙醇清洗工件表面。最后将工件表面吹干，不留水渍痕迹。抛光液为70%甲醇+20%乙二
醇单丁醚+10%高氯酸（体积比）。
将表面清洗处理后的样品装夹在专用的夹具上，放入脉冲激光设备的工作室的工
位上，并向工作室内充入纯度为99.9%的氩气作为保护气体。启动脉冲激光设备，加载电压，
对Zr-2.5Nb材料的表面进行脉冲激光表面强化处理。脉冲激光表面强化处理的主要参数范
围：激光功率20~600W，能量密度3~50J/mm2，脉冲宽度5ms，离焦量2mm，扫描速度8mm/s，光束
直径为1mm，在这个参数范围内，均能实现本发明目的；
经测试利用本发明表面强化处理方法处理后的双相Zr-2.5Nb表面形成具有一定深度
的改性层组织，在改性层偏下方（距工件表面约300um或更深区域），本实施例深度在350um
发现含有原始的α相、原始的β相及α板条（由新生成的β相转变而成）组成的高温相和低温相
的非平衡混合组织。室温下，该混合组织的存在使得双相锆合金的α→β相变表征变得更加
方便有效。