成品退火溫度對(duì)Zr-4合金性能影響研究

李 佳，焦永剛，楊 鋒

(西部新鋯核材料科技有限公司，陜西 西安 710299)

隨著我國(guó)核電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，反應(yīng)堆包殼材料和結(jié)構(gòu)材料自主化研究是未來(lái)我國(guó)核電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。鋯合金由于熱中子截面吸收率小和良好的室溫加工性能的特點(diǎn)，所以常用于反應(yīng)堆燃料元件的燃料包殼管、支撐管、壓力管、格架環(huán)管及端塞棒等結(jié)構(gòu)材料[1]。在反應(yīng)堆運(yùn)行的過(guò)程中，鋯合金在堆內(nèi)高溫和高壓的過(guò)熱蒸汽腐蝕環(huán)境中會(huì)因受到氧化、電化學(xué)、輻照以及水測(cè)沖刷等環(huán)境而生成一層均勻致密的氧化膜。該氧化膜的主要成分為ZrO2。鋯合金的氧化膜不是氧化自身的外延性生長(zhǎng)，而是由于腐蝕引發(fā)的應(yīng)力所致。鋯合金中的第二相極大的影響著鋯合金的耐蝕性能，若繼續(xù)氧化則因單斜的ZrO2產(chǎn)生局部張應(yīng)力，從而造成鋯合金已有氧化膜的局部脫落，從而影響著鋯合金包殼管及結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量。伴隨著我國(guó)反應(yīng)堆需求數(shù)量的增加，提高鋯合金的抗腐蝕性能對(duì)于鋯合金的使用壽命和核反應(yīng)堆的安全性具有重要的實(shí)踐和理論意義[2]。鋯合金的退火一般為再結(jié)晶退火，典型顯微組織為的等軸狀α相晶粒，沉淀相聚集在α相晶粒的邊界上(并不是因?yàn)榫чg沉淀，而是因?yàn)榫ЯｉL(zhǎng)大的過(guò)程中對(duì)晶界的釘扎作用)和晶內(nèi)[3]。鋯合金軋制變形量和退火工藝范圍較大，力學(xué)性能對(duì)軋制變形量和退火溫度參數(shù)十分敏感。劉大利等人研究了Zr-Sn-Nb-Fe合金加工變形量對(duì)退火工藝的影響關(guān)系，認(rèn)為變形量51.4%的一次冷軋管坯的最佳退火溫度為600℃/2 h，變形量為52.3%的二次冷軋管坯的最佳退火溫度為580℃/2 h或590℃/2 h[4]。楊志南研究了軋制變形量和退火溫度對(duì)鋯和Zr-2.3Nb合金組織的關(guān)系，認(rèn)為隨著變形量的增加，Zr-2.3Nb合金網(wǎng)籃狀組織的α相和β相逐漸旋轉(zhuǎn)至平行與軋制方向，各相的塑性變形量和對(duì)整體的貢獻(xiàn)量均逐漸增加，而純鋯中的位錯(cuò)不斷累積重排最后形成少量平均尺寸72μm的納米晶[5]。李中奎等人認(rèn)為采用低溫加工工藝獲得尺寸較小的沉淀相是鋯合金耐蝕性改善的基本途徑[6]。武宇等人認(rèn)為960℃溫度熱軋開坯所制備的帶材腐蝕增重明顯大于800℃熱軋制備的帶材腐蝕性能[7]。本文研究了成品退火溫度對(duì)Zr-4合金管材為腐蝕性能之間關(guān)系。為豐富鋯合金理論，提高核反應(yīng)堆的安全和質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料采用Φ63.5×10.92 mm規(guī)格的Zr-4管坯，管坯方案化學(xué)成分如表1所示。先將每種方案管坯依次按照軋制、表面處理、中間退火(620℃/1.5 h)、酸洗、拋光的生產(chǎn)流程加工至Φ9.5×0.57 mm規(guī)格的成品管材，隨后將成品管材繼續(xù)按照表面處理、成品退火、矯直、酸洗、拋光的生產(chǎn)流程加工至最終成品態(tài)。成品退火參數(shù)為480℃/2 h、530℃/2 h,580℃/2 h，最后將三種類型的成品管材加工至腐蝕樣品進(jìn)行均勻腐蝕實(shí)驗(yàn)。腐蝕實(shí)驗(yàn)條件為400℃、10.3MPa、72 h，樣品在裝釜前進(jìn)行酸洗，酸洗后用去離子水沖洗。腐蝕增重由3個(gè)樣品平均得出。另取其余三種類型的成品管材樣品沿著軸向剖開，依次利用200#、400#、500#、800#及1200 #砂紙將樣品磨平，使用含有氫氟酸和硝酸的混合液對(duì)樣品表面進(jìn)行腐蝕，腐蝕后的樣品再進(jìn)行陽(yáng)極氧化，采用掃描電鏡對(duì)三種成品管材的樣品進(jìn)行第二相粒子觀察，隨后用金相顯微鏡對(duì)樣品晶粒度進(jìn)行觀察。

表1 Zr-4管坯主要化學(xué)成分

2 結(jié)果與分析

2.1 成品退火溫度對(duì)第二相粒子的影響

圖1為每種退火參數(shù)下的Zr-4合金管材第二相粒子圖分布圖。從圖1可見，隨著成品退火溫度的升高，Zr-4合金管材中的第二相粒子逐漸密集。這是由于隨著退火溫度的升高，鋯合金中的Zr(Fe，Cr)2第二相粒子會(huì)逐漸析出，從而在顯微觀察中可以看到第二相粒子會(huì)隨著成品退火溫度升高而增加[7-9]。

圖1 成品退火溫度對(duì)第二相粒子影響

2.2 成品退火溫度對(duì)腐蝕性能的影響

圖2 成品退火溫度與Zr-4成品管材腐蝕增重關(guān)系圖

圖2為成品退火溫度與Zr-4成品管材腐蝕增重關(guān)系圖。從圖2可見，隨著成品退火溫度的升高，Zr-4成品管材的腐蝕增重逐漸增大。這是由于Zr-4合金的腐蝕與第二相粒子有很大的關(guān)系，成品退火溫度越高，析出的第二相粒子越多，所以腐蝕增重越大。

2.3 成品退火溫度對(duì)晶粒度的影響

圖3為各成品退火溫度下的Zr-4成品管材金相組織。在480～580℃/2h的條件下退火時(shí)，Zr-4合金的金相組織變化趨勢(shì)為晶界相對(duì)模糊→晶界較為清楚+加工時(shí)的形貌→等軸晶形貌。這是由于Zr-4合金成品退火溫度為480℃時(shí)，該溫度對(duì)應(yīng)鋯合金的消應(yīng)力退火區(qū)間，Zr-4合金管材的晶界相對(duì)模糊，如圖3(a)所示；當(dāng)成品溫度升高至530℃時(shí)，該溫度對(duì)應(yīng)的鋯合金晶粒組織處于消應(yīng)力和再結(jié)晶的過(guò)渡區(qū)退火溫度，晶界較為清楚，但是依然保留了加工時(shí)的形貌，如圖3(b)所示；當(dāng)溫度繼續(xù)升高至580℃時(shí)，該溫度對(duì)應(yīng)鋯合金的再結(jié)晶溫度區(qū)間，此時(shí)的晶?；境尸F(xiàn)等軸晶形貌。這與文獻(xiàn)報(bào)道的結(jié)果是一致的[8-11]。

圖3 成品退火溫度對(duì)Zr-4合金金相組織影響圖

3 結(jié)論

(1)隨著成品退火溫度的升高，Zr-4合金管材中的第二相粒子逐漸密集。

(2)隨著成品退火溫度的升高，Zr-4成品管材的腐蝕增重逐漸增大。

(3)在480～580℃/2h的條件下退火時(shí)，Zr-4合金的金相組織變化趨勢(shì)為晶界相對(duì)模糊→晶界較為清楚+加工時(shí)的形貌→等軸晶形貌。