超大規(guī)格鋯合金薄壁管制備工藝及性能的研究
發(fā)布日期：2023-12-4 9:23:46
鋯合金因具有熱中子吸收截面小，在高溫高壓下具有優(yōu)異的力學(xué)性能和抗腐蝕性能，并與核燃料UO2具有相容性，通常被用作反應(yīng)堆內(nèi)包殼材料和堆芯結(jié)構(gòu)材料[1]。鋯合金管材的生產(chǎn)方式一般是采用熱擠壓方法生產(chǎn)管坯，然后通過多道次冷軋生產(chǎn)出所需要規(guī)格的成品管材。目前核電、化工等行業(yè)用鋯合金管材外徑通常≤25mm，而對(duì)于大規(guī)格、薄壁的鋯合金管材生產(chǎn)與研究，國(guó)內(nèi)外少有研究報(bào)道。大規(guī)格薄壁管的生產(chǎn)難度大，存在外徑尺寸控制難，橢圓度、直線度差等問題[2-3]。本文研究的鋯合金管材外徑達(dá)φ126mm,壁厚僅有3mm，外徑與壁厚之比值大于30,達(dá)42,屬于超大規(guī)格薄壁管[3]。
外徑大、壁厚薄的管材軋制尺寸控制難度大，軋制管材端部易開裂。輥式矯直時(shí)，薄壁管易脹徑、壓塌、且矯直困難。故需開展此類產(chǎn)品的工藝技術(shù)研究，打通關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，旨在研究出超大規(guī)格鋯合金薄壁無縫管的生產(chǎn)工藝技術(shù)。
1、試驗(yàn)材料與方法
1.1試驗(yàn)材料和加工工藝
試驗(yàn)材料為三次真空自耗電弧爐熔煉的Zr-4合金鑄錠，直徑φ760mm。鑄錠經(jīng)過多火次自由鍛造，總變形量為83%，然后經(jīng)過β淬火、機(jī)加得到小280mm擠壓錠坯。其主要合金元素的化學(xué)成分見表1。
本試驗(yàn)錠坯擠壓采用50MN擠壓機(jī)，擠壓潤(rùn)滑使用銅包套的方式進(jìn)行。擠壓錠坯采用電阻爐加熱，加熱制度：750℃/(2~2.5)h，擠壓比7.9，擠壓后的管坯為φ155mm。擠壓管坯首道次軋制采用兩輥皮爾格(Pilger)軋機(jī)，軋制變形量45%,相對(duì)減壁量與相對(duì)減徑量的比值((Q值)為2.3。本試驗(yàn)成品軋制采用三輥Pilger冷軋管機(jī)，軋前直徑φ154mm，成品軋制變形量41%,值為6.5，三輥軋機(jī)變形過程中管材所處的應(yīng)力為三向壓應(yīng)力狀態(tài)，有利于金屬塑性變形，而且三輥軋制的成品尺寸精度高，管材內(nèi)、外表面質(zhì)量好，壁厚均勻，直線度好。本試驗(yàn)采用六輥可逆矯直機(jī)對(duì)管材進(jìn)行矯直，矯直過程中利用純彎曲、無壓下量的工藝，矯直后管材直線度滿足≤1mm/1000mm的要求。
1.2試驗(yàn)方法
為了進(jìn)行力學(xué)性能、微觀組織、氫化物測(cè)試，對(duì)成品φ126mm×3mm管材取樣，取樣示意圖如圖1所示。其中，AD、RD和TD分別是管材的軸向、徑向和切向。按照ASTME8/E8M《金屬材料拉伸試驗(yàn)方法》在AG-X100kN型電子萬能材料拉伸試驗(yàn)機(jī)上開展管材軸向室溫拉伸試驗(yàn)，按照ASTME21《金屬材料高溫拉伸試驗(yàn)方法》在WDW-50型微控電子萬能試驗(yàn)機(jī)上開展管材軸向高溫(315℃)拉伸試驗(yàn)。利用LEICA-DM2500M型金相顯微鏡觀察管材橫截面（RD-TD)的晶粒組織、氫化物分布，晶粒度評(píng)級(jí)按照ASTME112《測(cè)定平均晶粒度的試驗(yàn)方法》，氫化物取向因子（
)按照ASTMB811《核反應(yīng)堆燃料包殼用鋯合金無縫管》測(cè)定；借助S-3400N型掃描電子顯微鏡（SEM)的EBSD功能分析管材的織構(gòu)取向，并分析其織構(gòu)因子。
2、試驗(yàn)結(jié)果與討論
2.1尺寸精度及表面質(zhì)量
相關(guān)稀有金屬加工文獻(xiàn)表明對(duì)于加工大規(guī)格薄壁管（管材外徑與壁厚之比≥30)，外徑與壁厚的比值越大，生產(chǎn)工藝控制越困難。本試驗(yàn)鋯合金管材外徑與壁厚之比為42,如果攻關(guān)成功，必須精準(zhǔn)控制每一過程中間產(chǎn)品尺寸、質(zhì)量，防止尺寸超差、直線度差或出現(xiàn)開裂等問題。
圖2(a)為φ155mm擠壓管坯，從中可以看出，擠壓后管坯內(nèi)外表面光滑，無凹坑、裂紋、皺褶等缺陷，表面質(zhì)量?jī)?yōu)異，為后續(xù)提供了高質(zhì)量的坯料。擠壓管坯通過內(nèi)絞、外車表面處理后，管坯外徑公差為±0.8mm,壁厚公差為±0.8mm,尺寸精度高，外表面無銅皮、潤(rùn)滑劑、氧化皮等擠壓缺陷，內(nèi)表面光滑、無接刀痕、無臺(tái)坎。
試驗(yàn)管材首道次乳制采用LG110兩輥皮爾格(Pilger)冷軋機(jī)，乳制過程中充分潤(rùn)滑。φ126mm×3mm管材成品軋制采用LD150三輥Pilger冷軋管機(jī)，軋制后管材內(nèi)、外表面質(zhì)量好，壁厚均勻，直線度好，管材照片見圖2(b)。本試驗(yàn)基于保證管材良好直線度的要求，中間退火、成品退火，均采用了臥式爐退火，退火后管材直線度變差，由原0.8mm/1000mm變成1.5mm/1000mm。管材成品矯直采用六棍可逆矯直機(jī)對(duì)管材進(jìn)行，矯直過程中利用純彎曲、無壓下量的工藝，矯直后管材直線度滿足≤1mm/1000mm的要求，外表面無嚴(yán)重矯直紋、壓傷、無劃傷，表面質(zhì)量滿足技術(shù)要求。
2.2力學(xué)性能
管材經(jīng)530°C/2.5h再結(jié)晶退火后，取樣檢測(cè)其軸向室溫和高溫拉伸性能。選取多批次（≥5批）試驗(yàn)管材，每批次隨機(jī)抽取1支φ126mm×3mm成品管材進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)。
表2為不同批次成品管材多個(gè)試樣拉伸性能。由表2看出不同批次成品管材室溫、315°C高溫的抗拉強(qiáng)度、規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度/R0.2、斷后伸長(zhǎng)率數(shù)據(jù)波動(dòng)小，質(zhì)量穩(wěn)定。φ126mm×3mm成品管材室溫抗拉強(qiáng)度達(dá)545MPa,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.21%;規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度Rp0.2達(dá)到398MPa，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.50%。材料室溫強(qiáng)度滿足核反應(yīng)堆設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度≥450MPa、規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度≥310MPa的要求[5-7]，而且材料斷后伸長(zhǎng)率達(dá)到25.5%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.96%，表明材料塑韌性較好。φ126mm×3mm成品管材315°C高溫抗拉強(qiáng)度
達(dá)266MPa,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.43%;規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度達(dá)到163MPa，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.06%,材料高溫力學(xué)性能滿足Zr-4合金核反應(yīng)堆服役設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度≥214MPa、規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度≥120MPa的要求，材料高溫?cái)嗪笊扉L(zhǎng)率達(dá)到34.3%,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.22%,表明該材料的高溫塑韌性也滿足服役要求。
2.3顯微組織與氫化物
圖3為小126mm×3mm成品管材橫向金相組織。可以看出，成品管材組織已再結(jié)晶，晶粒都是六邊形等軸晶，晶粒細(xì)小、均勻一致，按照ASTME112檢測(cè)該試驗(yàn)管材晶粒度為11.0級(jí)，等軸晶粒平均直徑為7.9μm。本試驗(yàn)管材金相組織達(dá)到了預(yù)期研制目的，說明該管坯制備工藝合理，成品退火溫度、成品道次變形量設(shè)計(jì)合理。
管材軋制包含了復(fù)雜的變形過程，通過皮爾格周期性變形后，鋯晶體基面傾向于與主要形變方向平行，軋制變形時(shí)通過控制Q值可以減少織構(gòu)的分散度。當(dāng)采用以減徑為主的管材加工工藝時(shí)（Q<1）主要形成[0002]基軸取向切向的織構(gòu)[8-9]；當(dāng)采用以減壁為主(Q>1)的加工工藝時(shí)，主要形成[0002]基軸取向徑向的織構(gòu)。本試驗(yàn)采用以減壁為主的軋管工藝，首道次軋制Q值為2.3，成品道次軋制Q值達(dá)6.5,這樣可以使絕大多數(shù)晶粒的基極取向?yàn)楣懿膹较颍@樣在使用過程中形成的氫化物多呈周向分布,可以避免氫脆的發(fā)生。
圖4為φ126mm×3mm成品管材的織構(gòu)。采用EBSD分別測(cè)量成品管材徑向RD、切向TD、軸向AD三個(gè)方向的織構(gòu)因子。由極圖、反極圖、折線圖可以看出，成品管材大多數(shù)晶粒的取向以徑向取向?yàn)橹鳎瑥较蚩棙?gòu)因子最大達(dá)0.55,這樣有利于管材氫化物沿管材周向分布。鋯合金在核電站核島服役過程中，冷卻水中的氧會(huì)與鋯材料反應(yīng)，由此產(chǎn)生的氫以及因?yàn)樗瘜W(xué)控制所存在的氫都會(huì)在某種程度上被鋯合金吸收[10]。鋯合金吸氫后，長(zhǎng)期在應(yīng)力作用下可能造成延遲氫脆，是影響反應(yīng)堆安全的主要因素之一。鋯合金管中，切向取向的氫化物與徑向基極的織構(gòu)相對(duì)應(yīng)。當(dāng)鋯合金管材的[0002]基軸主要取向徑向時(shí)，氫化物主要平行于包殼管表面分布。這種分布可防止包殼在使用過程中發(fā)生氫脆。
由圖5(a)看出φ126mm×3mm成品管材氫化物幾乎呈水平狀分布。由圖5(b)得知，其大于等于40°方向的氫化物取向因子(40°〜90°之內(nèi)的氫化物條數(shù)占?xì)浠锟倲?shù)的比例[11]均小于0.2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于再結(jié)晶退火≤0.5設(shè)計(jì)要求，且同一管材橫截面內(nèi)層、中間層、外層不同位置氫化物取向因子差異較小，取向因子大小相當(dāng)。本試驗(yàn)管材織構(gòu)因子、氫化物取向達(dá)到了預(yù)期的研制目的，再次驗(yàn)證說明該管坯制備工藝合理，淬火工藝、擠壓工藝、真空退火溫度、道次變形量、相對(duì)減壁量與相對(duì)減徑量的比值(Q值)設(shè)計(jì)合理。
3、結(jié)論
(1)采用擠壓、淬火、兩道次軋制、純彎曲矯直、臥式真空退火工藝生產(chǎn)的φ126mm×3mmZr-4合金管材，尺寸精度高，表面質(zhì)量、室溫和高溫力學(xué)性能滿足核反應(yīng)堆設(shè)計(jì)要求。
(2)成品管材的顯微組織為等軸再結(jié)晶組織，并且細(xì)小、均勻一致，晶粒度為11.0級(jí)。
(3)成品管材的[0002]基軸取向主要呈徑向分布，這樣可使氫化物取向主要沿包殼管周向分布，可防止包殼管在使用過程中發(fā)生氫脆。
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