趙林科,王增民

(國(guó)核寶鈦鋯業(yè)股份公司,陜西 寶雞 7210014)

軋制和退火工藝對(duì)鋯-4合金包殼管材氫化物取向的影響

趙林科,王增民

(國(guó)核寶鈦鋯業(yè)股份公司,陜西 寶雞 7210014)

采用 3種管材軋制方法、2種退火工藝和 2種二次退火制度,研究了軋制加工Q值 (減壁與減徑比)、退火制度及二次退火對(duì)鋯-4合金包殼管材氫化物取向的影響。結(jié)果表明,無(wú)論Q值大小,退火后的氫化物取向因子均大于退火前;加工Q值越大,管材的氫化物取向因子越小;退火溫度對(duì)氫化物取向的影響與加工Q值有密切關(guān)系, Q值越大,退火溫度對(duì)氫化物取向的影響越小;氫化物取向因子隨成品退火溫度的升高而升高;成品矯直的鋯-4合金管材在 450～470℃消除應(yīng)力二次退火能顯著地改善氫化物取向。

鋯-4合金;包殼管;氫化物取向;退火制度

1 前 言

鋯合金由于其熱中子吸收截面小,并具有優(yōu)異的耐高溫水腐蝕性能、良好的綜合力學(xué)性能和理想的熱導(dǎo)率,被廣泛應(yīng)用于核反應(yīng)堆堆芯結(jié)構(gòu)材料和包殼材料[1]。當(dāng)鋯合金包殼的運(yùn)行溫度低于 150℃時(shí),過(guò)量固溶在鋯-4合金中的氫以氫化物的形式析出,會(huì)產(chǎn)生氫脆。氫脆會(huì)引起鋯合金包殼管的破裂,威脅反應(yīng)堆的核安全[2]。氫脆的產(chǎn)生不僅與氫化物的數(shù)量、尺寸大小、形狀結(jié)構(gòu)有關(guān),而且與氫化物取向有很大關(guān)系[2-3]。大量徑向氫化物的存在使鋯合金斷裂韌性降低,裂紋通過(guò)徑向氫化物進(jìn)行擴(kuò)展導(dǎo)致包殼管破裂。為此,研究了冷軋加工 Q值 (減壁與減徑比)、成品退火制度和二次退火對(duì)鋯-4合金包殼管材氫化物取向因子的影響規(guī)律。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 管材軋制

實(shí)驗(yàn)使用 φ17.78mm×2.05mm鋯-4合金管坯經(jīng) KPW 25軋機(jī)軋制成 3種不同規(guī)格的管材,加工工藝如下。

軋制后的成品管材在523℃保溫3.5 h進(jìn)行成品退火。

2.2 退火處理

對(duì)軋制的 φ10.01mm×0.715mm和 φ8.01mm× 0.65mm管材分別采用 450,470,523,540,550℃保溫 3.5 h的制度進(jìn)行成品退火。

2.3 消除應(yīng)力二次退火

對(duì) 523℃保溫 3.5 h退火后的 φ10.01 mm× 0.715mm管材進(jìn)行矯直,然后分別在450℃和470℃保溫 2 h進(jìn)行二次退火處理。

2.4 滲氫及氫化物取向因子和顯微組織的測(cè)定

用高壓釜對(duì)鋯-4合金包殼管進(jìn)行滲氫處理,滲氫條件為:溫度 360℃,滲氫壓力 18.6M Pa,滲氫時(shí)間 4 h,L iOH濃度 1mo l/L。使用西北有色金屬研究院的氫化物取向因子檢測(cè)設(shè)備測(cè)定管材的氫化物取向因子。使用奧林巴斯BX51金相顯微鏡觀察鋯-4合金包殼管氫化物分布。

3 結(jié)果與分析

3.1 軋制加工Q值對(duì)氫化物取向的影響

不同加工Q值管材退火前后的氫化物取向因子測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可以看出,無(wú)論 Q值大小,退火后的氫化物取向因子 f45均大于退火前。圖1為3種不同工藝軋制所得管材的氫化物分布照片。由圖1和表1可以看出,A工藝管材 Q值最大,其退火前及退火后管材的氫化物取向因子最小,氫化物取向基本都是周向分布;工藝 B管材內(nèi)側(cè)氫化物呈周向分布,外側(cè)氫化物分布較為雜亂,這是由于內(nèi)側(cè)加工Q值大于外側(cè)加工Q值;工藝 C管材析出的氫化物取向雜亂無(wú)序。

表1 軋制工藝Q值對(duì)氫化物取向的影響Table 1 Effect of rolling parameters Q-values on hydride orientation

圖1 退火后管材氫化物取向分布:(a)工藝A;(b)工藝B; (c)工藝 CFig.1 Hydride metallograph after annealing: (a)process A; (b)process B;(c)process C

工藝A、B、C的主要差別在于成品軋制Q值的不同,由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn),軋制加工 Q值越大,其退火前后成品管材的氫化物取向因子越小。而且退火溫度對(duì)氫化物取向影響與加工 Q值有很大關(guān)系,Q值越大,退火溫度對(duì)氫化物取向的影響越小。

鋯-4包殼管滲氫時(shí),其機(jī)理是氫進(jìn)入合金包殼管中沿著應(yīng)力方向或向熱梯度遷移,在晶體中存在晶界、位錯(cuò)等缺陷,在這些地方原子排布不像完整晶體那樣規(guī)則,它們和點(diǎn)缺陷以及溶質(zhì)原子有交互作用,使這些地方擴(kuò)散系數(shù)比完整晶體的高,氫在晶界處的含量較高,由于氫在α-Zr中固溶度很有限,當(dāng)氫含量超過(guò)極限固溶度,或降低溫度時(shí),多余的氫以氫化物的形態(tài)沿晶界析出[4-5]。晶界處原子排列不規(guī)則,產(chǎn)生點(diǎn)陣畸變,能量較高,對(duì)位錯(cuò)有阻礙作用,位錯(cuò)在晶界處纏繞、塞積,內(nèi)應(yīng)力較大,氫化物析出集中在較高應(yīng)力區(qū),使晶界能下降[6]。在大變形塑性加工時(shí),晶粒的形狀也發(fā)生變化,多晶粒中原先任意取向的各個(gè)晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng),從而使取向趨于一致,形成擇優(yōu)取向的加工織構(gòu)[7]?？棙?gòu)是決定氫化物取向的主要因素,退火后在沒(méi)有內(nèi)應(yīng)力的情況下,氫化物取向主要取決于鋯管的基極織構(gòu),切向基極織構(gòu)容易得到徑向分布的氫化物,徑向基極織構(gòu)容易得到切向分布的氫化物。軋管工藝是減壁減徑的復(fù)合過(guò)程,提高Q值能減少織構(gòu)的分散度,Q值越大,徑向織構(gòu)分布越好,越有利于氫化物沿周向析出分布。

3.2 成品退火溫度對(duì)氫化物取向的影響

圖2為管材經(jīng)不同溫度退火后的氫化物取向因子,圖3為 470℃和 540℃退火后管材的氫化物分布照片。由圖2和圖3可見(jiàn),在較低溫度退火后氫化物取向因子比較小,氫化物幾乎呈周向分布(圖3a),當(dāng)退火溫度提高到470℃溫度以上,氫化物取向發(fā)生變化,氫化物取向因子比消除應(yīng)力退火的高。氫化物取向因子隨退火溫度的升高而升高,退火溫度在 523～540℃時(shí),氫化物取向因子增大緩慢,但高于 540℃時(shí),氫化物取向因子迅速增大。

圖2 退火溫度對(duì)氫化物取向因子的影響Fig.2 Effect of with annealing temperature on hydride orientation factor

圖3 管材經(jīng)不同溫度退火后的氫化物分布:(a)470℃; (b)540℃Fig.3 Hydride metallograph of tubes after annealing:(a) 470℃;(b)540℃

鋯合金成品退火分為再結(jié)晶退火和消除應(yīng)力退火。消除應(yīng)力退火通常在 500℃以下進(jìn)行,由于在消除應(yīng)力過(guò)程中,金屬只發(fā)生了回復(fù),顯微組織仍然存在明顯的加工織構(gòu),對(duì)氫化物取向影響不大[5-6]。鋯-4合金包殼管材成品再結(jié)晶退火溫度一般都在 520～580℃,再結(jié)晶后晶界的取向發(fā)生變化[5-7],氫化物析出取向也有所變化。φ8.01mm×0.65mm管材再結(jié)晶退火后的晶粒尺寸見(jiàn)表2。由表2可以看出,退火溫度越高,再結(jié)晶及晶粒生長(zhǎng)的越快,改變?cè)瓉?lái)軋制晶粒取向越大,氫化物取向因子越大。

表2 φ8.01mm×0.65mm管材金相檢驗(yàn)結(jié)果Table 2 Metellographical detection ofφ8.01mm×0.65mm tubes

3.3 消除應(yīng)力二次退火對(duì)氫化物取向的影響

消除應(yīng)力二次退火后管材氫化物取向檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3和圖4。可以看出,矯直后氫化物取向因子升高,管壁氫化物呈徑向分布,分別在 450℃和 470℃保溫 2 h退火后,氫化物取向因子降低。這是由于在輥式矯直機(jī)上進(jìn)行矯直時(shí),管材不僅受到彎曲作用,而且還受到徑向的壓力,這種徑向壓力引起的附加應(yīng)力導(dǎo)致氫化物徑向析出 (見(jiàn)圖4a),二次消除應(yīng)力退火使應(yīng)力得到釋放,氫化物析出時(shí)沿加工變形方向析出,氫化物取向因子得到降低。因此,矯直后的成品管材在 450～470℃消除應(yīng)力二次退火能顯著地改善氫化物取向。

表3 二次退火后氫化物取向因子Table 3 Hydride orientation factor after second-annealing

圖4 管材矯直后(a)和在 470℃二次退火后(b)的氫化物取向分布Fig.4 Hydride orientation of Zr-4 tube after straightened(a) and 470℃ second-annealing(b)

4 結(jié) 論

(1)無(wú)論軋制加工Q值大小,鋯-4合金管材退火后的氫化物取向因子均大于退火前。

(2)鋯-4合金管材成品冷軋時(shí),加工 Q值越大,管材的氫化物取向因子越小。

(3)退火溫度對(duì)氫化物取向影響與加工 Q值有密切關(guān)系,Q值越大,退火溫度對(duì)氫化物取向的影響越小。

(4)氫化物取向因子隨成品退火溫度的升高而升高。

(5)矯直后的成品鋯-4合金管材在 450～470℃消除應(yīng)力二次退火能顯著地改善氫化物取向。

[1]趙文金.核工業(yè)用高性能鋯合金的研究[J].稀有金屬快報(bào),2004,23(5):15-20.

[2]劉建章.核結(jié)構(gòu)材料 [M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2007:85-172.

[3]楊文斗.反應(yīng)堆材料學(xué) [M].北京:原子能出版社, 2000:274-277.

[4]Yamanaka S,Higuchi K,Miyake M,et al.Hydrogen solubility in zirconium alloys[J].Journal of Alloys and Compounds,1995,23(1):503-507.

[5]姚美意.合金成分及熱處理對(duì)鋯合金腐蝕和吸氫行為影響的研究[D].上海:上海大學(xué),2007.

[6]余永寧.金屬學(xué)原理 [M].北京:冶金工業(yè)出版社, 2000:382-465.

[7]Kearns J J.Terminal solubility and partitioning of hydrogen in the alpha phase of zircomnium,Zircaloy-2 and Zircaloy -4[J]. Journal of Nuclear Materials,1967,22:297 -303.

Effects of Rolling and Annea ling Process on Hydride Orientation of Zr-4 Cladding Tubes

Zhao Linke,Wang Zengmin
(State Nuclear Baoti Zirconium Industry Co.,Ltd.,Baoji721014,China)

The effects of rolling Q-values,annealing conditions and the second-annealing on the hydride orientation of zircaloy-4 cladding tubes have been investigated,by adopting three rolling methods,two kinds of annealing techniques experiments and second-annealing system s.The results indicate that whether the rolling Q-value is larger or smaller,the hydride orientation factor of tubes after annealing is larger than before;also,the larger rolling Q-value is,the smaller hydride orientation factor of tubes and the smaller influence of annealing temperature for the finished product on the hydride orientation of tubes is;and the hydride orientation factor will increase along with increasing temperature,meanwhile,stress relief annealed hydride orientation factor is smaller than recrystallized annealed one; and the hydride orientation of straightened finished zircaloy-4 tubes can be imp roved evidently by using stress relief second-annealed at450-470℃.

Zr-4;cladding tubes;hydride orientation;annealing process

2010-07-29

趙林科 (1983-),男,助理工程師,電話:0917-8661706,E-m ail:zhao linke@163.com。