N36鋯合金管氣相滲氫試驗(yàn)方法研究

謝 夢(mèng) 雷 雨 徐春容 惠泊寧

(1.西部新鋯核材料科技有限公司 陜西 西安 710016；2.中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院 反應(yīng)堆燃料及材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 四川 成都 610041)

N36鋯合金管氣相滲氫試驗(yàn)方法研究

謝 夢(mèng)1雷 雨1徐春容2惠泊寧1

(1.西部新鋯核材料科技有限公司 陜西 西安 710016；2.中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院 反應(yīng)堆燃料及材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 四川 成都 610041)

采用氣相滲氫裝置對(duì)N36鋯合金成品管進(jìn)行滲氫試驗(yàn)，對(duì)滲氫后的管材進(jìn)行金相分析及氫含量分析，研究了滲氫溫度、保溫時(shí)間、氣流量對(duì)N36鋯合金管材中氫含量及氫化物的影響。結(jié)果表明：當(dāng)滲氫溫度由350℃增加到400℃時(shí)，氫含量增加，氫化物形貌由顆粒狀變?yōu)殚L(zhǎng)條狀；當(dāng)保溫時(shí)間由1h增加到6h，氫含量增加到470ppm，氫化物呈環(huán)向分布。

N36鋯合金管；氫化物；氣相滲氫

在核反應(yīng)堆中，容納核燃料的鋯合金包殼管作為第一道安全屏障，直接影響著整個(gè)電廠的安全運(yùn)行[1]。在服役條件下，管內(nèi)有燃料的熱膨脹和裂變氣體等壓力的作用(內(nèi)壓)；管外有冷卻介質(zhì)水的作用(外壓)，而內(nèi)壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于外壓。內(nèi)壓力使包殼管引起兩向應(yīng)力：縱剖面上的正應(yīng)力—圓周方向和橫剖面上的正應(yīng)力—縱向拉伸應(yīng)力，且環(huán)向應(yīng)力大于縱向應(yīng)力。包殼管吸氫后，過(guò)飽和的氫將會(huì)形成脆性相的氫化鋯。而水冷核反應(yīng)堆在運(yùn)行中最棘手的問(wèn)題之一就是氫化鋯所造成的燃料棒破損[1]。

N36鋯合金管是我國(guó)自主研發(fā)的Zr-Sn-Nb系高性能鋯合金包殼材料，鑒于N36鋯合金不同于Zr-Sn系(Zr-4合金)的合金成分和特有的制備工藝，開(kāi)展其氫化物研究是非常必要而又迫切的。為了模擬反應(yīng)堆中氫化物對(duì)N36鋯合金管力學(xué)性能的影響，因此堆外一般采用高壓釜進(jìn)行滲氫。但高壓釜滲氫會(huì)對(duì)鋯合金管材表面形成致密的氧化膜，影響氫化物對(duì)管材力學(xué)性能的研究。因此，本文采用氣相滲氫裝置，研究N36鋯合金管材的氣相滲氫試驗(yàn)方法。

一、試驗(yàn)材料與方法

(一)試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為500 kg級(jí)N36鋯合金成品管，再結(jié)晶狀態(tài)。試樣名義外徑D為9.5 mm，壁厚t為0.57 mm。

(二)實(shí)驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)中采用的氫源為混合氣體，其中氫含量為2.5%，其余為為惰性氣體Ar：97.5%。氣相滲氫設(shè)備試驗(yàn)裝置主要包括抽真空設(shè)備、加熱爐、進(jìn)氣和出氣裝置。N36鋯合金采用氣相滲氫，使試樣含有不同的氫含量，便于后續(xù)進(jìn)行氫含量對(duì)力學(xué)性能影響的研究。采用5mm長(zhǎng)的試樣，并進(jìn)行酸洗去除試樣表面的油污及氧化物。

將試樣放入爐管的均溫區(qū)，抽真空至(1.0～3.0)×10-2Pa，然后充入混合氣體，調(diào)節(jié)流量，流量穩(wěn)定后，關(guān)閉真空設(shè)備，加熱一定溫度保溫，保溫一定時(shí)間后，關(guān)閉加熱爐，將爐管拉出一半，后隨爐冷卻至200℃，最后空冷至80℃以下，取出試樣。

采用控制保溫時(shí)間以及氣流量來(lái)獲得不同的氫含量。本次試驗(yàn)中，保溫溫度為350℃、380℃、400℃。氣相滲氫后的N36鋯合金管材試樣抽樣進(jìn)行氫含量的分析。氣相滲氫后的N36鋯合金管材試樣同時(shí)在金相顯微鏡下觀察氫化物形貌。

二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

(一)溫度對(duì)N36鋯合金管材氫化物形貌的影響

圖1是N36鋯合金管材在不同試驗(yàn)溫度下(氣流量50L/h、保溫時(shí)間2h)的氫化物金相照片。

圖1 不同溫度下(氣流量50L/h、保溫時(shí)間2h)的

圖(a)中氫化物呈細(xì)小的顆粒狀，圖(b)中細(xì)條狀的氫化物連接在一起呈條狀環(huán)向分布，圖(c)中氫化物明顯的呈細(xì)條狀環(huán)向分布于橫截面上。隨著滲氫保溫溫度的增加，氫含量有所增加，并且氫化物形貌也具有較大的變化，由顆粒狀變化細(xì)長(zhǎng)狀。采用金相圖譜進(jìn)行氫含量分析，在350℃、380℃、400℃時(shí)氫含量分別約為60ppm、75ppm、120ppm，氫含量有所增加。

(二)保溫時(shí)間對(duì)N36鋯合金管材氫化物形貌的影響

圖2是N36鋯合金管材在400℃下，不同氣流量及保溫時(shí)間下的氫化物金相照片。

從圖中可以看出，氫化物基本均呈環(huán)向分布，隨著保溫時(shí)間的增加，由細(xì)條狀纏結(jié)在一起，氫化物數(shù)量明顯增多。采用化學(xué)分析方法進(jìn)行氫含量分析，結(jié)果如表1所示。

表1 N36鋯合金在不同氣流量及保溫時(shí)間下的氫含量

圖2 不同氣流量、保溫時(shí)間(L/h-h)的N36鋯合金氫化物金相照片

三、結(jié)果與討論

氫原子的半徑小，很容易借助空位進(jìn)行擴(kuò)散，使基體金屬內(nèi)達(dá)到氫的平衡固溶度。本試驗(yàn)中，采用氣相滲氫，氫原子的來(lái)源充足而不斷進(jìn)入基體。當(dāng)氫含量超過(guò)固溶度時(shí)，氫原子在能量起伏、成分起伏、結(jié)構(gòu)起伏幾率較大的晶界處形成氫化物核心，進(jìn)而導(dǎo)致其周圍的氫原子濃度下降，產(chǎn)生濃度差，形成氫化物。而氫化物的形成，使鋯合金體積膨脹，氫化物片兩側(cè)的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變，產(chǎn)生畸變能，阻礙氫化物的生長(zhǎng)。因此，氫化物具有一定尺寸。當(dāng)滲氫溫度較低時(shí)，不利于氫原子的擴(kuò)散，并且氫化物含量較少，因此氫化物呈顆粒狀(圖1(a))，氫含量較小。氫在析出時(shí)，會(huì)沿溫度梯度向溫度低的方向進(jìn)行擴(kuò)散[5]。但當(dāng)吸氫量過(guò)大，氫化物聚集于試樣內(nèi)，并形成重疊生長(zhǎng)情況[6]。余量氫或繼續(xù)擴(kuò)散進(jìn)來(lái)的氫則在另外的晶界上進(jìn)行氫化物的形核及長(zhǎng)大。因此，在一定滲氫溫度下，隨著滲氫時(shí)間的延長(zhǎng)，越來(lái)越多晶界被氫化物占據(jù)，因此形成網(wǎng)絡(luò)狀的氫化物。由于采用的氫源為混合氣體氫含量?jī)H為2.5%，其余為為惰性氣體Ar：97.5%，因此當(dāng)氣流量增加時(shí)，N36鋯合金管材的吸氫量增多。

四、結(jié)論

(1)隨著保溫溫度的增加，N36鋯合金管材的吸氫量增加，氫化物形貌由顆粒狀變?yōu)榧?xì)條狀；

(2)在保溫時(shí)間400℃、流量50L/h時(shí)，隨著滲氫時(shí)間的延長(zhǎng)，N36鋯合金管材的吸氫量增加；

(3)采用混合氣體氫源時(shí)，氣流量對(duì)N36鋯合金管材的吸氫量有顯著的影響。

[1]劉建章.核結(jié)構(gòu)材料[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2007,168-172.

[2]彭倩,沈保羅.鋯合金的織構(gòu)及其對(duì)性能的影響[J].稀有金屬,2005,29(6):903-908.

[3]J.J.Kearns.Terminal solubility and partitioning of hydrogen in alpha phase of zirconium,zircaloy-2 and zircaloy-4[J].Journal of nuclear material.1967,22:292-303.

[4]史麗生.鋯及鋯合金的吸氫[C].中國(guó)核學(xué)會(huì).貴陽(yáng)：2011.10.

[5]周邦新，蔣有榮.Zr-4板中氫化物應(yīng)力再取向的研究[J].核動(dòng)力工程，1993，14(4)：365-371.

[6]周軍，李中奎，王文生等.新鋯合金板材在 LiOH 溶液中的吸氫行為研究[J].熱加工工藝.2007,36(6):7-9.

Research on Gas Hydrogenation Test of N36 Zirconium Alloy Tube

XIE Meng1LEI Yu1Xu Chunrong2Hui Bo Ning1

(1.Western Energy Material Technologies Co.,Ltd,Xi’an,710299,China) (2.Reactor Fuel and Material Key Laboratory,Nuclear Power Institute of China,Chengdu 610041,China)

N36 zirconium alloy tubes were charged with hydrogen using gas phase hydrogen permeation device.After hydrogenation test,the metallographic microscope and hydrogen content of these tubes were analyzed.The effects of hydrogen permeation temperature,holding time and air flow rate on the hydrogen content and hydrides in N36 zircaloy tubes were studied.The results show that the hydrogen content increased and the hydrides morphology changed from granular to long strip when the hydrogen permeation temperature increased from 350 ℃ to 400 ℃.When the holding time increased from 1h to 6h,the hydrogen content increased to 470ppm and hydrides were circumferential distribution.

N36 zirconium alloy;Hydrides;Hydrogenation

謝夢(mèng)(1989-)，女，四川儀隴人，助理工程師，主要從事鋯合金加工工藝及性能研究。