矯直工藝對Zr-Sn-Nb系合金管材氫化物取向的影響

張 偉，王旭峰，楊 鋒，張海芹，雷 江，焦 康

(西部新鋯核材料科技有限公司，陜西 西安 710299)

0 引 言

在核反應堆中，鋯合金包殼管承受著高溫、高壓及輻照等嚴苛環(huán)境考驗。在高溫條件下，鋯合金具有強烈的吸氫能力，當鋯合金中的氫含量超過極限固溶度時就會析出氫化物[1]。核反應堆中鋯合金吸氫途徑有很多種，如水受輻射分解產生氫、鋯與冷卻水反應(Zr+2H2O→ZrO2+2H2)等。研究表明，鋯合金中的氫化物是一種脆性相，很容易引發(fā)周圍基體的晶格畸變，在周圍形成應力場，從而引起包殼材料韌性下降，并最終導致包殼材料損壞[2-3]。氫化物對鋯合金包殼管的破壞作用與其取向密切相關，當氫化物取向為周向時，包殼管的塑性下降較少，為徑向或接近徑向時，塑性下降明顯[5-6]。影響氫化物取向的因素較多，主要有管材加工過程中的Q值(相對減壁量與相對減徑量的比值)、矯直工藝、熱處理、應力狀態(tài)等[4]。在Q值及最終熱處理狀態(tài)得到保證的條件下，矯直工藝對氫化物取向起決定性作用。這就要求在進行包殼管矯直時，既要保證管材的直線度，也必須同時滿足對氫化物取向的要求。

Zr-Sn-Nb系合金是繼Zr-4合金之后獲得應用的新鋯合金。近年來，各國核材料領域研究者對氫化物取向的形成機理[7]、Zr-Sn-Nb系合金的腐蝕吸氫性能、氫化物與Zr-Sn-Nb系合金基體晶體學結構關系及氫化物對其管材力學性能的影響做了許多研究[8]。但關于矯直工藝對Zr-Sn-Nb系合金包殼管殘余應力及氫化物取向方面的研究相對較少，本研究從矯直工藝參數(shù)(輥縫值、彎曲量、矯直輥角度)出發(fā)，分析再結晶退火條件下經矯直后，Zr-Sn-Nb系合金管材殘余應力與氫化物取向因子之間的對應關系，探尋滿足氫化物取向的矯直工藝參數(shù)，期望對國內開展相關工作提供參考。

1 實 驗

1.1 實驗材料

實驗材料為再結晶退火態(tài)Zr-Sn-Nb系合金包殼管(化學成分為:Sn 0.75%～1.05%，Nb 0.70%～0.82%，F(xiàn)e 0.21%～0.42%，Zr 余量，質量分數(shù))，直徑為10 mm，直線度≤1 mm/m。

1.2 實驗方法

輥縫值、彎曲量及矯直輥角度作為鋯合金管材矯直中的重要參數(shù)，對管材直線度、外徑橢圓度、氫化物取向及表面質量都有重要影響。因此采用6輥精密管材矯直機分別進行不同輥縫值、彎曲量及矯直輥角度的Zr-Sn-Nb系合金成品管材矯直實驗。

輥縫實驗設置6組不同輥縫值，對相同批次Zr-Sn-Nb系合金成品管材進行矯直。中間矯直輥輥縫值分別為9.7、9.8、9.9、10.0、10.3、10.5 mm，其他各輥的輥縫值設置為10.5 mm，矯直輥角度設定為31.5°，中間矯直輥彎曲量設置為3.0 mm，其余矯直輥彎曲量為0 mm。

彎曲實驗設置6組不同的彎曲量，對相同批次Zr-Sn-Nb系合金成品管材進行矯直。中間矯直輥彎曲量分別設定為2.6、3.0、3.4、3.8、4.2、4.7 mm，其余矯直輥彎曲量為0 mm，各矯直輥的輥縫值為10.5 mm，矯直輥角度為31.5°。

按照矯直設備的角度調整范圍設置5組不同角度的矯直參數(shù)，對相同批次Zr-Sn-Nb系合金成品管材進行矯直。各矯直輥角度保持一致且依次為33.5°、32.5°、31.5°、30.5°、29.5°。各組矯直輥輥縫值為10.5 mm，中間矯直輥彎曲量為3.0 mm，其余矯直輥彎曲量為0 mm。

從矯直后的Zr-Sn-Nb系合金管材上截取100 mm的長試樣和30 mm的短試樣。采用X射線衍射技術檢測長試樣近表層所受殘余應力。短試樣放置在盛有LiOH水溶液(濃度為1 mol/L)的高壓釜中進行滲氫處理，溫度為360 ℃，壓力18.6 MPa，保溫時間5 h。滲氫試樣經處理后，采用金相顯微鏡觀察其氫化物取向，同時使用專用軟件對氫化物取向因子進行評級。為避免實驗過程中管材外表面殘余應力對實驗結果的影響，在檢測前使用5%HF+45%HNO3+50%H2O(體積分數(shù))的混合酸液對長試樣和短試樣酸洗10 s左右。酸洗后試樣外徑尺寸基本無變化。

2 結果與討論

2.1 輥縫值對氫化物取向的影響

表1為不同輥縫值參數(shù)下矯直后Zr-Sn-Nb系合金管材的氫化物取向因子。從表1可以看出，隨著輥縫值的增大，Zr-Sn-Nb系合金管材外層氫化物取向因子逐漸減小。當輥縫值小于管材外徑尺寸(φ10 mm)時，管材通過矯直機時受到中間矯直輥上輥和下輥外力的作用，輥縫值為9.7 mm時，管材中層氫化物取向因子為0.26，外層氫化物取向因子高達0.78；當輥縫值大于管材外徑時，中間矯直輥上輥對管材不產生外力作用，管材在矯直機中以純彎曲矯

表1不同輥縫值下管材的氫化物取向因子

Table 1 Hydride orientation factors of tubes straightened under different roll gap

直方式矯直，此時氫化物取向因子≤0.22。由于在鋯合金包殼管批量生產中，退火后管材直線度存在一定程度的差異，導致相同參數(shù)矯直后管材的氫化物取向因子仍存在一定程度的波動，因此為保證管材氫化物性能滿足技術要求(Fn40°≤0.5)，Zr-Sn-Nb系合金管材氫化物取向因子應內控在≤0.3的范圍內。鑒于此，需采用純彎曲矯直方式對Zr-Sn-Nb系合金包殼管成品進行矯直。

圖1 未矯直管材及不同輥縫值下管材的氫化物分布照片F(xiàn)ig.1 Distribution of hydride orientation of tubes without straightening and straightened under different roll gaps: (a)unstraightened；(b)9.7 mm；(c)10.0 mm；(d)10.5 mm

圖2為不同輥縫值實驗條件下矯直后Zr-Sn-Nb系合金管材近表層殘余應力分布。為對比說明矯直后管材殘余應力的變化情況，對再結晶退火態(tài)且未矯直管材取樣進行殘余應力分析，結果顯示其近表層殘余應力接近零。說明在完全再結晶狀態(tài)下，管材殘余應力的變化主要由矯直引起，這一結果和表1中氫化物取向因子檢測結果一致。當輥縫值小于管材外徑尺寸時，中間矯直輥上輥和下輥對管材存在擠壓作用，促使管材表層應力增大，影響氫化物取向分布。當輥縫值為9.7 mm時，Zr-Sn-Nb系合金管材近表層正應力為194.6 MPa，切應力為147.0 MPa，結合正應力和切應力方向，得出管材矯直加工過程中表層受拉應力作用，這與實際管材矯直時外層受拉應力、內層受壓應力的結果一致[11]；當輥縫值≥10.0 mm時，管材近表層正應力≤30.1 MPa，切應力≤24.2 MPa。

圖2 輥縫值對管材殘余應力的影響Fig.2 Influence of roll gap value on residual stress of tubes

2.2 彎曲量對氫化物取向的影響

表2為不同彎曲量下Zr-Sn-Nb系合金管材的氫化物取向因子。從表2可以看出，彎曲量≤4.2 mm時，管材內層、中層及外層氫化物取向因子均較為穩(wěn)定，而當彎曲量為4.7 mm時，外層氫化物取向因子為0.40，接近技術條件要求的最大值(0.5)。

表2不同彎曲量下管材的氫化物取向因子

Table 2 Hydride orientation factors of tubes straightened under different bending amounts

圖3為不同彎曲量矯直參數(shù)下Zr-Sn-Nb系合金管材的氫化物分布照片。從圖3可以看出，彎曲量為2.6、3.0、3.8 mm時管材氫化物呈周向或接近周向分布，與圖1a再結晶退火且未矯直狀態(tài)下氫化物分布相比變化不大；彎曲量為4.7 mm時外層氫化物取向呈雜亂分布，呈徑向或接近徑向分布的氫化物較多。

圖3 不同彎曲量下管材的氫化物分布照片F(xiàn)ig.3 Distribution of hydride orientation of tubes straightened under different bending amounts:(a)2.6 mm；(b)3.0 mm；(c)3.8 mm；(d)4.7 mm

圖4為不同彎曲量參數(shù)下Zr-Sn-Nb系合金管材近表層的殘余應力分布。從圖4可以得出，彎曲量≤4.2 mm時，管材近表層正應力≤33.5 MPa，切應力≤37.8 MPa。此時氫化物取向因子不超過0.14，氫化物呈周向或接近周向分布，說明彎曲量較小時，管材近表層所受拉應力不足以導致氫化物取向發(fā)生明顯偏轉。彎曲量為4.7 mm時，管材近表層正應力為89.6 MPa，切應力為77.3 MPa。此時氫化物分布顯示外層氫化物取向發(fā)生偏轉，說明在此彎曲量下，管材所受拉應力導致氫化物取向發(fā)生明顯轉變，由原來的周向轉變?yōu)閺较蚧蚪咏鼜较颉?/p>

圖4 彎曲量對管材殘余應力的影響Fig.4 Influence of bending amount on residual stress of tubes

2.3 矯直輥角度對氫化物取向的影響

表3為不同矯直輥角度下Zr-Sn-Nb系合金管材的氫化物取向因子。矯直輥角度在31.5°～33.5°之間時，氫化物取向因子≤0.23，滿足技術條件要求；當矯直輥角度在29.5°～31.5°之間時，外層氫化物取向因子為0.70，尤其當矯直輥角度為30.5°時，管材內、中、外層氫化物取向因子均>0.60，嚴重超出技術條件要求。

表3不同矯直輥角度下管材的氫化物取向因子

Table 3 Hydride orientation factors of tubes straightened under different straightening roller angles

圖5為不同矯直輥角度下Zr-Sn-Nb系合金管材的氫化物分布照片。從圖5可以看出，矯直輥角度對氫化物取向的影響很大，當矯直輥角度為32.5°和31.5°時，氫化物呈周向或接近周向分布，未發(fā)生偏轉；當矯直輥角度為29.5°時，氫化物取向發(fā)生很大程度的偏轉，外層及部分中層氫化物由周向轉變?yōu)閺较蚍植?；當矯直輥角度為30.5°時，管材內、中、外層氫化物均發(fā)生明顯偏轉，由周向轉變?yōu)閺较蚍植肌?/p>

圖5 不同矯直輥角度下管材的氫化物分布照片F(xiàn)ig.5 Distribution of hydride orientation of tubes straightened under different roller angles:(a)32.5°；(b)31.5°；(c)30.5°；(d)29.5°

圖6為不同矯直輥角度參數(shù)下Zr-Sn-Nb系合金管材近表層的殘余應力分布。矯直輥角度較小時，管材在靠近輥肩位置與矯直輥接觸，接觸面積較小，致使單位面積管材所受拉應力較大，且管材外表面產生嚴重的螺旋棱現(xiàn)象，無法通過后續(xù)的拋光處理消除；矯直輥角度較大時，管材在矯直輥輥腰附近位置與其接觸，接觸面積較大，單位面積管材所受應力較小。當矯直輥角度為30.5°時，管材近表層所受正應力達到271.7 MPa，切應力達到203 MPa；結合圖5c分析，矯直輥角度對殘余應力的影響不僅僅表現(xiàn)在近表層，還可能導致管材內層和中層產生較大殘余應力，致使管材整個壁厚截面上氫化物取向發(fā)生偏轉。而當矯直輥角度為31.5°時，管材近表層所受正應力為35.6 MPa，切應力為29.1 MPa。由此可見，對于Zr-Sn-Nb系合金包殼管產品質量而言，成品矯直中矯直輥角度的控制十分關鍵。

圖6 矯直輥角度對管材殘余應力的影響Fig.6 Influence of straightening roller angle on residual stress of tubes

3 結 論

(1)輥縫值、彎曲量和矯直輥角度等矯直工藝參數(shù)直接影響Zr-Sn-Nb系合金管材內部的殘余應力，殘余應力與氫化物取向之間存在密切聯(lián)系。

(2)當輥縫值≥10 mm，彎曲量≤4.2 mm，矯直輥角度在31.5°～33.5°之間時，Zr-Sn-Nb系合金管材殘余正應力≤35.6 MPa，切應力≤37.8 MPa，此時氫化物取向呈周向或接近周向，氫化物取向因子滿足技術要求。

(3)為保證Zr-Sn-Nb系合金包殼管氫化物取向因子滿足技術條件要求，生產過程需采用純彎曲方式進行矯直。