Zr-4合金管材加工工藝對氫化物取向因子的影響

供稿|李啟明，杜忠澤，王文倩，3，，于軍輝，3， / LI Qi-ming, , DU Zhong-ze,WANG Wen-qian, , YU Jun-hui,

作者單位：1. 西安建筑科技大學冶金工程學院，陜西 西安 710055；2. 國核寶鈦鋯業股份公司，陜西 寶雞 721013；3. 國家能源核級鋯材研發中心，陜西 寶雞 721013；4. 陜西省核級鋯材重點實驗室，陜西 寶雞 721013

隨著我國經濟的迅速發展，傳統火力發電量已遠不能滿足我國日益增長的供電需求[1]。核能發電具有電廠占地面積小、高效率、可控性強的特點而在我國發電種類的比重逐漸增加[2]?；阡喓辖鹬凶咏孛嫖章市〉奶攸c，推動了鋯合金的研究與開發。用鋯合金代替不銹鋼作為核反應堆的結構材料，可以節省鈾燃料的1/2左右[3]。同時，鋯合金還在高溫高壓下具有良好的加工性能和抗蝕性能，所以廣泛應于水冷反應堆的堆芯包殼材料和結構材料，成為核電站反應堆的重要必備材料[4]。

在核反應堆運行時，鋯合金表面被水氧化的同時，還會同時生成氫氣。部分氫被鋯合金吸收生成片狀或者針狀氫化鋯(ZrHx)。研究表明氫化鋯是一種很脆的第二相。若鋯合金中含有較少的氫化物則會影響鋯合金的延展性能；若鋯合金中含有較多的氫化物則會造成鋯合金材料失效。文獻認為軋制和退火工藝對Zr-4合金包殼管氫化物取向有較大的影響。軋制加工Q值越大，鋯合金管材的氫化物取向因子越小，氫化物取向因子隨成品退火溫度的升高而升高[5-8]。氫化物取向因子是衡量核反應堆用Zr-4合金管材氫化物的指標。國內外對Zr-4合金氫化物的形貌和影響因素進行了一定的研究，但是鮮有人從加工工藝上對Zr-4合金管材進行研究[9，10]。本文從軋制送進量、退火參數和矯直彎曲量對Zr-4合金氫化物取向因子進行研究，為豐富鋯合金理論和實踐，提高核反應堆的質量和安全奠定基礎。

實驗

軋制

實驗使用 f22 mm×2.5 mm的Zr-4合金管坯，分別按照軋制送進量0.5、0.8、1.3 mm/次的要求進行軋制。軋制后進行氫化物取向因子檢測。

退火

將三種不同軋制送進量下軋制的管材按560℃/4 h的退火參數進行退火，每種類型管材退火后進行氫化物取向因子檢測。

矯直

矯直使用VRM30六輥矯直機對每種類型管材進行矯直。管材矯直彎曲量分別為5、6、7 mm，矯直過程中矯直輥角度一致。矯直后，每種管材檢測氫化物取向因子。

檢測

使用氫氧化鋰高壓釜方法把氫氣滲入試樣內，處理溫度不超過414℃。具體的滲氫實驗過程就是將實驗管材切取25 mm的試樣，置于高壓釜內，在一定的溫度(360℃)和壓力(18.6 MPa)下于濃度為l moL/L的氫氧化鋰溶液中滲氫，保溫一定的時間(一般2~4 h，以滲氫量控制在1×10–4~2×10–4為宜)。管壁的端面沿整個壁厚劃分為相等的三層：外層、中間層、內層，為方便測量可適當放大氫化物取向金相圖。

結果與分析

不同軋制送進量對氫化物取向的影響

不同送進量軋制后的管材氫化物取向結果見表1。

從表1可見，氫化物取向整體隨著送進量的增大而增大。氫化物取向的外層和內層隨著送進量的變大而變大；中間層的氫化物取向變化不大。

圖1是三個方案軋制后Zr-4合金管試樣氫化物取向的金相照片。管材在軋制過程中，管坯外層與軋輥孔型接觸，內層與芯棒芯頭接觸。兩個接觸面受到的應力最大，故同一截面的外層和內層氫化物取向高于中間層的氫化物取向。對比外層和內層氫化物取向因子會發現軋制后外層氫化物取向低于內層氫化物取向，這是因為管材內徑比外徑曲面小，相對受力更集中，更容易產生徑向的氫化物，從而表現為氫化物取向高。隨著送進量的增大，管材的變形加劇，晶界處原子排列不規則，產生點陣畸變，能量較高，對位錯有阻礙作用，位錯在晶界處纏繞、塞積，內應力較大，氫化物析出集中在較高應力區。因此高送進量下氫化物取向因子高于低送進量。

退火對軋制氫化物取向的影響

為了研究退火對軋制后氫化物取向的影響，將三種軋制送進量的管材進行退火。管材退火后的氫化物取向因子檢測結果如表2所示。

圖1 不同軋制送進量軋制后鋯合金管材試樣氫化物取向金相圖

表2 退火后氫化物取向檢測結果

通過表2可以看出退火后氫化物取向普遍增高，因為Zr-4合金包殼管材成品再結晶退火溫度一般都在520~580℃，再結晶后晶界的取向發生變化[3-5]。圖2是三個送進量軋制方案軋制且退火后鋯合金管材試樣氫化物取向金相圖，退火后氫化物取向呈現紊亂無序的狀態。

不同矯直彎曲量對氫化物取向的影響

不同矯直彎曲量對氫化物取向的影響見表3。通過表3可以看出矯直后管材的整體氫化物取向關系是：7 mm氫化物取向＞6 mm氫化物取向＞5 mm氫化物取向。彎曲量決定了管材在矯直過程中的變形程度，只有在管材上產生塑性變形才能矯直管材。如果彎曲量過大，則會由于材料塑性變形過大而引起管材的氫化物取向因子增加。隨著矯直彎曲量的增加氫化物取向平均值明顯增大，同時外層的氫化物取向也明顯增大，這是因為矯直過程中矯直輥只與管材外表面接觸，從而影響外層氫化物取向的變化。

表3 不同矯直彎曲量對氫化物取向的影響

圖2 不同軋制送進量軋制且退火后鋯合金管材試樣氫化物取向金相圖

圖3 矯直后鋯合金管材試樣氫化物取向金相圖

結論

(1) 鋯合金軋制管材的氫化物取向分布是內層＞外層＞中間層；氫化物取向因子隨著軋制送進量的增大有增大趨勢。

(2) 再結晶退火后管材氫化物呈無序狀態，氫化物取向增大。

(3) 彎曲矯直過程中，隨著彎曲量的增大，氫化物取向因子增大。