引言

鋯合金不僅熱中子吸收截面小，而且導熱率高、機械性能好,又具有良好的加工性能以及同UO2良好的相容性,尤其是對高溫高壓水和蒸汽也具有良好的抗腐蝕性能,在堆內有相當好的抗中子輻照性能,因而被廣泛用作核動力水冷反應堆的包殼材料和結構材料。隨著核電的快速發展,對鋯合金材料的性能提出了更高要求。近年來,我國開發出了多種Zr-Sn-Nb系高性能鋯合金材料,并開展了管材、板帶材等型材的制備工藝研究。

鋯合金管材的主要制備流程包括:鑄錠熔煉→鑄錠鍛造→β相淬火→熱擠壓→多道次軋制及退火[1]。其中,成品軋制是鋯合金管材制備過程中的重要工序,主要包括軋制變形量、軋制速度和送進量等參數,決定著成品管材的組織與性能。鋯合金是密排六方晶體結構金屬,存在各向異性且具有較少的滑移系統,在軋制過程中不可避免會產生織構,織構的存在會影響鋯合金的諸多性能,如氫化物取向、力學性能、輻照生長、應力腐蝕開裂、腐蝕性能等[2]。相關研究表明氫化物的析出與織構有密切關系[3],切向織構會導致氫化物沿鋯合金管材徑向析出分布,引起氫脆的發生,進而影響反應堆的運行安全。

成品軋制和退火控制著鋯合金成品管材的顯微組織、織構和氫化物取向,進而影響材料的服役性能。因此有必要針對特定成分的鋯合金管材,根據其加工性能制定合適的成品軋制和退火工藝參數。本文針對自主新型鋯合金,通過設置不同的成品軋制工藝參數,制備出不同工藝的鋯合金管材,并對其微觀組織和力學性能進行研究,分析成品軋制和退火對微觀組織和力學性能的影響,為優化鋯合金管材的加工工藝提供參考。

1、試驗材料與方法

1.1材料

本研究中使用的Zr-Sn-Nb鋯合金管材名義成分為:Zr-0.25%Sn-1.25%Nb-0.10%Fe-0.05%V(百分數表示質量分數)。采用3次真空自耗熔煉后得到1000kg級鑄錠,然后經β相區鍛造和均勻化處理獲得原始棒坯,再經過擠壓和多道次軋制及中間退火,最終經過成品軋制后獲得不同工藝的管材,如表1所示。4種工藝參數制備的鋯合金管材內外表面均無缺陷,質量良好。本文引入參數Q(管壁變形量與直徑變形量的比值)表征軋制工藝與織構的對應關系,Q值越高,所產生的織構的基極越接近于徑向,進而形成呈切向分布的氫化物,這對防止鋯合金氫脆是有利的。

式中,R_w為管壁變形量;R_D為直徑變形量。

1.2試驗方法

(1)對上述管材試樣的橫截面(如圖1所示的RD-TD面)進行機械磨拋和化學拋光,之后利用掃描電鏡配置的電子背散射衍射(EBSD)系統對不同工藝管材的EBSD數據進行采集,并利用Channel 5軟件對數據進行處理。

(2)根據GB/T 228.1《金屬材料拉伸試驗第1部分:室溫試驗方法》和GB/T 228.2《金屬材料拉伸試驗第2部分:高溫試驗方法》,利用萬能材料試驗機開展管材試樣室溫和315℃下的拉伸性能測試,獲得力學性能數據。

2、結果與討論

2.1微觀組織

表1鋯合金管材成品軋制工藝參數

表2鋯合金管材織構取向因子

3、結論

本文以自主新型鋯合金為研究對象，對不同成品軋制工藝參數制備的鋯合金管材退火前后的微觀組織和拉伸性能進行了研究，得到的主要結論如下:

(1)鋯合金管材成品軋制時的Q值決定了織構取向，Q值越大，徑向織構取向因子越大，有利于氫化物沿周向析出分布。

(2)不同成品軋制工藝參數制備的鋯合金管材經再結晶退火后，室溫拉伸性能相當，315℃高溫拉伸性能存在差別，主要與管材的晶界類型、滑移系數量等有關。

(3)成品軋制時的軋制速度和送進量會影響管材的織構，但對管材的強度和塑性影響不大，為了獲得較好的管材表面質量和尺寸精度通常選擇較小的送進量。

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（注，原文標題：成品軋制和退火對鋯合金管材微觀組織及力學性能的影響_程竹青）