內(nèi)酸洗去除核用鋯合金管材內(nèi)表面缺陷的影響

喬旺旺，龐玉華，魯旭卓

(1.西安建筑科技大學(xué)，陜西西安 710055;2.上海九納環(huán)?？萍加邢薰?，上海 201010)

鋯合金因其優(yōu)異的核性能被用作水冷反應(yīng)堆的燃料包覆材料和其他堆芯結(jié)構(gòu)材料，典型的商業(yè)化Zr－2合金用于沸水堆(BWR)，Zr－4合金用于壓力堆(PWR)，已取得長期的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，被ASTM列為核工業(yè)應(yīng)用的成熟合金，40多年來沒有被其他合金所代替。隨著高性能燃料組件的開發(fā)，新型高性能鋯合金的研究與開發(fā)已十分活躍。改進(jìn)鋯合金的加工工藝與研制新合金是材料研制的兩個(gè)重要方面，缺一不可。近年來，鋯合金加工工藝技術(shù)在新工藝、新設(shè)備方面有了很大的發(fā)展［1］。鋯合金管材的表面狀態(tài)對其抗腐蝕性能和吸氫性能特別是堆內(nèi)使用性能有很大影響，表面處理工藝是管材加工中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。表面處理技術(shù)主要是對成品管材進(jìn)行內(nèi)表面流動(dòng)酸洗，外表面機(jī)械拋光，或者內(nèi)表面噴砂，外表面酸洗處理，前一種工藝被認(rèn)為更合理［1］。目前所采用的減壁和減徑組合變形過程對管材內(nèi)表面造成較大的影響，為了確保管材內(nèi)表面質(zhì)量滿足要求，特別對管材內(nèi)表面處理方法進(jìn)行摸索［2］。

1 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)料選用退火態(tài)的Zr－4鋯合金Φ31.75管材坯料，坯料在軋制后取剖樣，使用600目砂紙對內(nèi)表面打磨后發(fā)現(xiàn)局部點(diǎn)坑，還存在加工流線及流線中隱藏的小黑點(diǎn)，為了確定點(diǎn)坑深度，驗(yàn)證內(nèi)流動(dòng)酸洗對消除點(diǎn)坑等缺陷的有效性，并通過處理后的坯料軋制驗(yàn)證該點(diǎn)坑是否會對半成品軋制產(chǎn)生影響。從兩個(gè)管號的2個(gè)尺寸樣中選取缺陷最深的試樣對其兩端使用金相法測量缺陷深度(磨制4次，觀察一端4個(gè)橫截面，取其最大值)，測得的最大點(diǎn)坑深度為66.6μm測量結(jié)果見圖1。

圖1 坯料缺陷深度金相法測量結(jié)果

取A和B管材部分，中剖后取一半試樣進(jìn)行內(nèi)酸洗試驗(yàn)，酸液組成為1.1%HF－20.3%HNO3－余量水，酸液溫度控制在20～35℃，壁厚測量工具是量程為0～25 mm，精度為0.01 mm的壁厚千分尺。第一次內(nèi)酸洗壁厚去除量為0.05 mm，酸洗后觀察內(nèi)表面仍存在明顯加工流線和微小缺陷，在此基礎(chǔ)上第二次內(nèi)酸洗壁厚去除量為0.05 mm，累計(jì)0.10 mm，內(nèi)表面流線仍未完全消除;在此基礎(chǔ)上第三次內(nèi)酸洗壁厚去除量為0.05 mm，累計(jì)0.15 mm，內(nèi)表面流線明顯消除，但發(fā)現(xiàn)1～2個(gè)扁平狀的小點(diǎn)坑;在此基礎(chǔ)上第四次內(nèi)酸洗壁厚去除量為0.03 m，累計(jì)0.18 mm，加工流線基本消除，扁平狀的小點(diǎn)坑有所改善。酸洗前后的管材內(nèi)表面照片見表2。

表2 A、B管號內(nèi)酸洗后內(nèi)表面質(zhì)量

接下來對經(jīng)過四次內(nèi)酸洗，壁厚去除量為0.18 mm的管材進(jìn)行Φ17.78半成品軋制，按照正常工藝進(jìn)行脫脂、烘干，隨后從尺寸樣中選取缺陷最深的試樣使用金相法測量缺陷深度(磨制4次，觀察一端4個(gè)橫截面，取其最大值)，測得的最大點(diǎn)坑深度為26.1μm，詳見圖2。

圖2 半成品缺陷深度金相法測量結(jié)果

按照處理Φ31.75管材的方法，對8支Φ17.78管材進(jìn)行內(nèi)酸洗作業(yè)，酸液濃度為0.8%HF－19.7%HNO3－余量水，壁厚去除量控制在0.06～0.08 mm。經(jīng)過內(nèi)酸洗后的半成品管材在軋制前使用專用的超聲檢測設(shè)備進(jìn)行無損檢測，檢測結(jié)果詳見圖3，根據(jù)比對發(fā)現(xiàn)Φ17.78管材無超過標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)量傷的缺陷。

圖3 超聲圖譜

2 結(jié)果與分析

2.1 內(nèi)酸洗對軋制缺陷的消除

A和B管號Φ31.75管坯內(nèi)酸洗壁厚去除0.15～0.18 mm后，內(nèi)表面加工流線和流線中隱藏的小黑點(diǎn)消除。由于缺陷和基體在酸液中均勻腐蝕，表面的加工流線與基體為一體，僅是由于軋制變形過程中金屬流動(dòng)不一致導(dǎo)致的色差。流線中隱藏的小黑點(diǎn)是軋制時(shí)金屬流動(dòng)過程中包括雜質(zhì)嵌入基體中，在內(nèi)酸洗過程中酸液先與該部位的雜質(zhì)反應(yīng)，或先與雜質(zhì)和基體之間的合金反應(yīng)，待雜質(zhì)反應(yīng)或被沖刷走后，被雜質(zhì)占據(jù)的部位基體表面呈現(xiàn)點(diǎn)坑狀，由于均勻腐蝕的共同作用，點(diǎn)坑無法通過化學(xué)拋光的手段消除，但經(jīng)過酸洗后點(diǎn)坑變得扁平，且深度變淺。在后續(xù)的軋制作業(yè)過程中，變得扁平的點(diǎn)坑通過軋制作用壓展和延伸，不再以點(diǎn)坑的形式存在。

2.2 內(nèi)酸洗對超聲檢測的影響

在應(yīng)用中，可通過對管材的超聲波檢測，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的監(jiān)控，如通過觀察縱向缺陷通道和尺寸通道，監(jiān)控管材軋制工藝及軋機(jī)狀態(tài)是否合理。利用超聲波檢測技術(shù)在對核用鋯合金管材進(jìn)行缺陷檢測的同時(shí)進(jìn)行管材的尺寸測量，不僅保證了產(chǎn)品質(zhì)量，提高了檢驗(yàn)效率，還可促進(jìn)管材加工工藝的不斷改進(jìn)［3］。通過對內(nèi)酸洗前后的管材超聲檢測比對，明顯可以看出內(nèi)酸洗對于橫傷和縱傷的改善，主要原因是酸洗對于異常的凸起可以實(shí)現(xiàn)削峰的作用，對于點(diǎn)坑可以將點(diǎn)坑落差截面改善為平滑過渡，這樣一來使得由管壁中形成的多次反射回波更為穩(wěn)定，其檢測結(jié)果也更滿足工藝要求。

3 結(jié)論

(1)Φ31.8規(guī)格管材取樣測量的內(nèi)表面點(diǎn)坑的最大深度約為0.067mm，經(jīng)脫脂、內(nèi)流動(dòng)作業(yè)基本可確認(rèn)本次點(diǎn)坑缺陷產(chǎn)生主要原因是內(nèi)潤滑乳液污染。

(2)Φ31.8規(guī)格管材內(nèi)表面的點(diǎn)坑是由內(nèi)潤滑乳液污染引起，點(diǎn)坑經(jīng)過內(nèi)酸洗后變得扁平且深度變淺。

(3)帶點(diǎn)坑的Φ31.8規(guī)格管材經(jīng)過內(nèi)酸洗P3道次軋制后，點(diǎn)坑缺陷全部消除。