Zr-4合金管材加工工藝對(duì)氫化物取向因子的影響

供稿|李啟明，杜忠澤，王文倩，3，，于軍輝，3， / LI Qi-ming, , DU Zhong-ze,WANG Wen-qian, , YU Jun-hui,

作者單位：1. 西安建筑科技大學(xué)冶金工程學(xué)院，陜西 西安 710055；2. 國(guó)核寶鈦鋯業(yè)股份公司，陜西 寶雞 721013；3. 國(guó)家能源核級(jí)鋯材研發(fā)中心，陜西 寶雞 721013；4. 陜西省核級(jí)鋯材重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 寶雞 721013

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)火力發(fā)電量已遠(yuǎn)不能滿足我國(guó)日益增長(zhǎng)的供電需求[1]。核能發(fā)電具有電廠占地面積小、高效率、可控性強(qiáng)的特點(diǎn)而在我國(guó)發(fā)電種類的比重逐漸增加[2]。基于鋯合金中子截面吸收率小的特點(diǎn)，推動(dòng)了鋯合金的研究與開(kāi)發(fā)。用鋯合金代替不銹鋼作為核反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)材料，可以節(jié)省鈾燃料的1/2左右[3]。同時(shí)，鋯合金還在高溫高壓下具有良好的加工性能和抗蝕性能，所以廣泛應(yīng)于水冷反應(yīng)堆的堆芯包殼材料和結(jié)構(gòu)材料，成為核電站反應(yīng)堆的重要必備材料[4]。

在核反應(yīng)堆運(yùn)行時(shí)，鋯合金表面被水氧化的同時(shí)，還會(huì)同時(shí)生成氫氣。部分氫被鋯合金吸收生成片狀或者針狀氫化鋯(ZrHx)。研究表明氫化鋯是一種很脆的第二相。若鋯合金中含有較少的氫化物則會(huì)影響鋯合金的延展性能；若鋯合金中含有較多的氫化物則會(huì)造成鋯合金材料失效。文獻(xiàn)認(rèn)為軋制和退火工藝對(duì)Zr-4合金包殼管氫化物取向有較大的影響。軋制加工Q值越大，鋯合金管材的氫化物取向因子越小，氫化物取向因子隨成品退火溫度的升高而升高[5-8]。氫化物取向因子是衡量核反應(yīng)堆用Zr-4合金管材氫化物的指標(biāo)。國(guó)內(nèi)外對(duì)Zr-4合金氫化物的形貌和影響因素進(jìn)行了一定的研究，但是鮮有人從加工工藝上對(duì)Zr-4合金管材進(jìn)行研究[9，10]。本文從軋制送進(jìn)量、退火參數(shù)和矯直彎曲量對(duì)Zr-4合金氫化物取向因子進(jìn)行研究，為豐富鋯合金理論和實(shí)踐，提高核反應(yīng)堆的質(zhì)量和安全奠定基礎(chǔ)。

實(shí)驗(yàn)

軋制

實(shí)驗(yàn)使用 f22 mm×2.5 mm的Zr-4合金管坯，分別按照軋制送進(jìn)量0.5、0.8、1.3 mm/次的要求進(jìn)行軋制。軋制后進(jìn)行氫化物取向因子檢測(cè)。

退火

將三種不同軋制送進(jìn)量下軋制的管材按560℃/4 h的退火參數(shù)進(jìn)行退火，每種類型管材退火后進(jìn)行氫化物取向因子檢測(cè)。

矯直

矯直使用VRM30六輥矯直機(jī)對(duì)每種類型管材進(jìn)行矯直。管材矯直彎曲量分別為5、6、7 mm，矯直過(guò)程中矯直輥角度一致。矯直后，每種管材檢測(cè)氫化物取向因子。

檢測(cè)

使用氫氧化鋰高壓釜方法把氫氣滲入試樣內(nèi)，處理溫度不超過(guò)414℃。具體的滲氫實(shí)驗(yàn)過(guò)程就是將實(shí)驗(yàn)管材切取25 mm的試樣，置于高壓釜內(nèi)，在一定的溫度(360℃)和壓力(18.6 MPa)下于濃度為l moL/L的氫氧化鋰溶液中滲氫，保溫一定的時(shí)間(一般2~4 h，以滲氫量控制在1×10–4~2×10–4為宜)。管壁的端面沿整個(gè)壁厚劃分為相等的三層：外層、中間層、內(nèi)層，為方便測(cè)量可適當(dāng)放大氫化物取向金相圖。

結(jié)果與分析

不同軋制送進(jìn)量對(duì)氫化物取向的影響

不同送進(jìn)量軋制后的管材氫化物取向結(jié)果見(jiàn)表1。

從表1可見(jiàn)，氫化物取向整體隨著送進(jìn)量的增大而增大。氫化物取向的外層和內(nèi)層隨著送進(jìn)量的變大而變大；中間層的氫化物取向變化不大。

圖1是三個(gè)方案軋制后Zr-4合金管試樣氫化物取向的金相照片。管材在軋制過(guò)程中，管坯外層與軋輥孔型接觸，內(nèi)層與芯棒芯頭接觸。兩個(gè)接觸面受到的應(yīng)力最大，故同一截面的外層和內(nèi)層氫化物取向高于中間層的氫化物取向。對(duì)比外層和內(nèi)層氫化物取向因子會(huì)發(fā)現(xiàn)軋制后外層氫化物取向低于內(nèi)層氫化物取向，這是因?yàn)楣懿膬?nèi)徑比外徑曲面小，相對(duì)受力更集中，更容易產(chǎn)生徑向的氫化物，從而表現(xiàn)為氫化物取向高。隨著送進(jìn)量的增大，管材的變形加劇，晶界處原子排列不規(guī)則，產(chǎn)生點(diǎn)陣畸變，能量較高，對(duì)位錯(cuò)有阻礙作用，位錯(cuò)在晶界處纏繞、塞積，內(nèi)應(yīng)力較大，氫化物析出集中在較高應(yīng)力區(qū)。因此高送進(jìn)量下氫化物取向因子高于低送進(jìn)量。

退火對(duì)軋制氫化物取向的影響

為了研究退火對(duì)軋制后氫化物取向的影響，將三種軋制送進(jìn)量的管材進(jìn)行退火。管材退火后的氫化物取向因子檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

圖1 不同軋制送進(jìn)量軋制后鋯合金管材試樣氫化物取向金相圖

表2 退火后氫化物取向檢測(cè)結(jié)果

通過(guò)表2可以看出退火后氫化物取向普遍增高，因?yàn)閆r-4合金包殼管材成品再結(jié)晶退火溫度一般都在520~580℃，再結(jié)晶后晶界的取向發(fā)生變化[3-5]。圖2是三個(gè)送進(jìn)量軋制方案軋制且退火后鋯合金管材試樣氫化物取向金相圖，退火后氫化物取向呈現(xiàn)紊亂無(wú)序的狀態(tài)。

不同矯直彎曲量對(duì)氫化物取向的影響

不同矯直彎曲量對(duì)氫化物取向的影響見(jiàn)表3。通過(guò)表3可以看出矯直后管材的整體氫化物取向關(guān)系是：7 mm氫化物取向＞6 mm氫化物取向＞5 mm氫化物取向。彎曲量決定了管材在矯直過(guò)程中的變形程度，只有在管材上產(chǎn)生塑性變形才能矯直管材。如果彎曲量過(guò)大，則會(huì)由于材料塑性變形過(guò)大而引起管材的氫化物取向因子增加。隨著矯直彎曲量的增加氫化物取向平均值明顯增大，同時(shí)外層的氫化物取向也明顯增大，這是因?yàn)槌C直過(guò)程中矯直輥只與管材外表面接觸，從而影響外層氫化物取向的變化。

表3 不同矯直彎曲量對(duì)氫化物取向的影響

圖2 不同軋制送進(jìn)量軋制且退火后鋯合金管材試樣氫化物取向金相圖

圖3 矯直后鋯合金管材試樣氫化物取向金相圖

結(jié)論

(1) 鋯合金軋制管材的氫化物取向分布是內(nèi)層＞外層＞中間層；氫化物取向因子隨著軋制送進(jìn)量的增大有增大趨勢(shì)。

(2) 再結(jié)晶退火后管材氫化物呈無(wú)序狀態(tài)，氫化物取向增大。

(3) 彎曲矯直過(guò)程中，隨著彎曲量的增大，氫化物取向因子增大。