激光強(qiáng)化法提高鋯管軋制用孔型壽命研究進(jìn)展

供稿|毛繼軍，施遷，于軍輝 /

作者單位：1. 國核寶鈦鋯業(yè)股份公司，陜西 寶雞 721013；2. 國家能源核級鋯材研發(fā)中心，陜西 寶雞 721013；3. 陜西省核級鋯材重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 寶雞 721013

內(nèi)容導(dǎo)讀

激光沖擊強(qiáng)化是一種新型金屬材料強(qiáng)化技術(shù)，能夠通過在部件近表面引入殘余壓應(yīng)力的方式顯著提高金屬材料的抗疲勞性能。文章研究了激光強(qiáng)化技術(shù)在鋯合金冷軋用孔型試塊和成品精磨孔型受力區(qū)域的應(yīng)用，并用X射線衍射法測量試塊沖擊表面層產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力大小及深度。結(jié)果表明：采用激光強(qiáng)化后的試塊殘余壓應(yīng)力隨著深度的增加而降低，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)在試塊約1 mm深度處，其殘余壓應(yīng)力數(shù)值與淬火后的殘余壓應(yīng)力數(shù)值基本保持一個(gè)水平；采用激光強(qiáng)化后的孔型軋制后的管材尺寸、表面質(zhì)量、直線度均滿足要求、超聲和渦流檢測結(jié)果均合格。退火后管材的室溫拉伸、氫化物取向因子以及收縮系數(shù)(CSR)檢測結(jié)果全部滿足產(chǎn)品技術(shù)條件要求，且與平時(shí)生產(chǎn)批次的管材性能基本相當(dāng)；采用激光強(qiáng)化孔型的方法可有效的提高孔型的使用壽命。

鋯合金具有熱中子截面吸收率小和優(yōu)異的抗腐蝕性能，常用于水冷核反應(yīng)堆的燃料包殼管材料和結(jié)構(gòu)材料[1]。目前，鋯合金包殼管的主要加工方式為軋制，通過兩輥周期往復(fù)運(yùn)動(dòng)的形式實(shí)現(xiàn)鋯合金管材的變形[2-4]。周期式Piger軋制是鋯合金包殼管材變形的主要方法，在鋯合金管材軋制變形過程中，冷軋孔型的失效模式主要為剝落和疲勞開裂失效。若軋制孔型壽命較低，將嚴(yán)重影響鋯合金管材的質(zhì)量和穩(wěn)定性，并增加生產(chǎn)成本、降低生產(chǎn)效率。采用表面強(qiáng)化處理是延長孔型的使用壽命的方法之一。

激光沖擊強(qiáng)化是一種新型金屬材料強(qiáng)化技術(shù)，能夠通過在部件近表面引入殘余壓應(yīng)力的方式顯著提高金屬材料的抗疲勞性能。激光強(qiáng)化技術(shù)可以直接作用于孔型表面，利用其快速加熱和冷卻的特點(diǎn)在孔型表面生成硬化層，從而提高孔型的抗疲勞性能、延長孔型的使用壽命[5-7]。本研究采用表面激光強(qiáng)化工藝，對孔型槽進(jìn)行表面強(qiáng)化，以增加其抗疲勞性能，提高孔型壽命。為提高孔型的質(zhì)量，確保軋制出的鋯合金包殼管的質(zhì)量合格奠定基礎(chǔ)。

孔型槽受力分析

管材冷軋孔型是由模具鋼材料(如AISI H13)經(jīng)過一定的熱處理工藝制成。在孔型上加工出孔型槽(見圖1)。在管材軋制時(shí)，孔型槽會限制管材的變形，孔型會同時(shí)受壓應(yīng)力和拉應(yīng)力作用，其中拉應(yīng)力沿孔型槽橫向的分量使孔型槽趨向于張開(見圖2)。隨著軋機(jī)機(jī)架的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，孔型會沿著軋制中線往復(fù)滾動(dòng)，該過程是應(yīng)力加載與卸載的周期循環(huán)過程，而拉應(yīng)力沿孔型槽橫向分量的周期循環(huán)特性會導(dǎo)致孔型槽底部出現(xiàn)疲勞開裂失效?？仔筒壑辉诮佑|軋制管的瞬時(shí)變形區(qū)時(shí)受到應(yīng)力作用。

圖1 孔型示意圖

圖2 孔型槽剖面示意圖

為解決孔型槽受拉應(yīng)力引起的疲勞開裂失效問題，在孔型槽表層引入殘余壓應(yīng)力，抵消孔型槽在軋制過程中所受的循環(huán)拉應(yīng)力，以提高孔型的抗應(yīng)力疲勞性能，從而延長孔型使用壽命。這是采用激光強(qiáng)化提高孔型抗疲勞強(qiáng)度從而大幅度提高孔型壽命的理論依據(jù)。

實(shí)驗(yàn)方法

選用H13模具鋼作為實(shí)驗(yàn)材料，H13模具鋼組成成分如表1。使用線切割設(shè)備在H13孔型上切出25 mm×25 mm×25 mm立方塊3個(gè)，保留原孔型的淬火層作為激光沖擊表面，對兩個(gè)試塊淬火表面進(jìn)行激光強(qiáng)化，另外一個(gè)試塊不進(jìn)行激光沖擊留作對比，試塊具體的激光沖擊工藝為：激光能量為2～20 J，脈沖寬度為5～50 ns，作用光斑直徑為1.0～5.0 mm，光斑搭接率為10%～90%。對孔型試塊激光沖擊后的表面層以及未激光沖擊的試塊(相同表面)沿厚度方向測量殘余壓應(yīng)力。

表1 H13模具鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

對一副成品管材軋制用的H13孔型進(jìn)行孔型槽全區(qū)域激光沖擊，該孔型軋制變形規(guī)格為7.78 mm×2.3 mm→f10.00 mm×0.7 mm。先對強(qiáng)化后的孔型先進(jìn)行了軋制性能驗(yàn)證(測試其軋制出的鋯合金管材尺寸、表面質(zhì)量、直線度、超聲檢測和渦流檢測)，然后在同軋制軋機(jī)、同軋制工藝參數(shù)和制造芯頭等條件下，對比測試強(qiáng)化后的孔型軋制鋯合金管材坯料數(shù)量。

結(jié)果與分析

激光沖擊后殘余壓應(yīng)力變化

對孔型試塊激光沖擊后的表面層以及未激光沖擊的試塊(相同表面)沿厚度方向測量殘余壓應(yīng)力，測量結(jié)果如圖3。從圖3可以看出，試塊殘余壓應(yīng)力隨著深度的增加而降低，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)在試塊約1 mm深度處，其殘余壓應(yīng)力數(shù)值與淬火后的殘余壓應(yīng)力數(shù)值基本保持一個(gè)水平。通過激光沖擊處理，能夠在孔型試塊表層引入深度較大的殘余壓應(yīng)力，其數(shù)值約為淬火試塊的10倍。說明通過激光沖擊可有效提高孔型材料表層的殘余壓應(yīng)力。

圖3 試塊激光沖擊后表層殘余壓應(yīng)力變化

激光強(qiáng)化孔型壽命對比實(shí)驗(yàn)

為了評估激光強(qiáng)化對孔型軋制性能的影響，對激光強(qiáng)化后的孔型進(jìn)行管材軋制性能驗(yàn)證。結(jié)果表明，在現(xiàn)有工藝參數(shù)下，采用激光強(qiáng)化后的孔型軋制后的管材尺寸、表面質(zhì)量、直線度均滿足要求、超聲和渦流檢測結(jié)果均合格。退火后管材的室溫拉伸、氫化物取向因子以及收縮系數(shù)(CSR)檢測結(jié)果全部滿足產(chǎn)品技術(shù)條件要求，且與平時(shí)生產(chǎn)批次的管材性能基本相當(dāng)。圖4是室溫拉伸性能對比結(jié)果，圖5是室溫收縮應(yīng)變比(CSR)對比結(jié)果。

圖5 室溫收縮應(yīng)變比(CSR)測試結(jié)果

圖6 為激光強(qiáng)化孔型與同批次未強(qiáng)化孔型軋制壽命對比圖。從圖可見，在工藝參數(shù)相同條件下，激光強(qiáng)化后的孔型共完成1608支7.78 mm規(guī)格的管坯軋制生產(chǎn)，而未強(qiáng)化的孔型完成管坯軋制的數(shù)量分別為853支、1009支及1080支。綜上所述，采用激光強(qiáng)化孔型的方法可有效提高孔型的使用壽命。

圖6 激光強(qiáng)化孔型與同批次未強(qiáng)化孔型軋制壽命對比圖

結(jié)束語

(1) 試塊殘余壓應(yīng)力隨著深度的增加而降低，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)在試塊約1 mm深度處，其殘余壓應(yīng)力數(shù)值與淬火后的殘余壓應(yīng)力數(shù)值基本保持一個(gè)水平。

(2) 采用激光強(qiáng)化后的孔型軋制后的管材尺寸、表面質(zhì)量、直線度均滿足要求、超聲和渦流檢測結(jié)果均合格。退火后管材的室溫拉伸、氫化物取向因子以及收縮系數(shù)(CSR)檢測結(jié)果全部滿足產(chǎn)品技術(shù)條件要求，且與平時(shí)生產(chǎn)批次的管材性能基本相當(dāng)。

(3) 采用激光強(qiáng)化孔型的方法可有效提高孔型的使用壽命。