張　成,袁敏哲,吳金平,郗大來

(1.西安優(yōu)耐特容器制造有限公司, 陜西　西安　710201)(2.西北有色金屬研究院，陜西　西安　710016)

?

Ti-6Ta合金封頭的研制

張成1,袁敏哲1,吳金平2,郗大來1

(1.西安優(yōu)耐特容器制造有限公司, 陜西西安710201)(2.西北有色金屬研究院，陜西西安710016)

設(shè)計了3種方案對新型α型Ti-6Ta合金板材進行封頭沖壓成形試驗，在沖壓的封頭不同部位取樣進行壓扁、拉伸、硬度、金相等相關(guān)檢測和分析。結(jié)果表明：Ti-6Ta合金封頭不適合采用冷沖壓成形法成形；在Ti-6Ta合金板材表面涂敷高溫防氧化涂層，采用315 t四柱油壓機，在680～700 ℃溫度下進行熱沖壓成形，能夠得到表面質(zhì)量良好的規(guī)格為φ219 mm×7.42 mm的Ti-6Ta合金封頭；封頭的組織形貌與原始板材相比無明顯變化，其壓扁工藝性能合格，強度及硬度與母材基本相當，可以滿足Ti-6Ta合金承壓設(shè)備的制造要求。

Ti-6Ta合金；封頭；沖壓成形

0　引　言

乏燃料后處理是實現(xiàn)核燃料循環(huán)利用，保證核電產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)和關(guān)鍵環(huán)節(jié)。乏燃料后處理設(shè)備處理的是高濃度、沸騰硝酸溶液，服役條件極為惡劣，常因腐蝕而失效。因此，各國材料學(xué)者在不斷地尋找能夠滿足該工況條件使用的新型耐蝕材料[1-4]。

已有研究表明，鈦鉭合金具有很強的耐沸騰濃硝酸腐蝕的能力，尤其在含有氧化性陽離子的核乏燃料模擬溶解液中具有優(yōu)異的耐蝕性能，并對應(yīng)力腐蝕開裂不敏感[5-6]。

Ti-6Ta合金作為一種新型α鈦合金材料，可滿足乏燃料后處理設(shè)備耐高濃度、沸騰硝酸溶液腐蝕的性能要求。

蒸發(fā)器是乏燃料后處理設(shè)備中的關(guān)鍵設(shè)備，由管殼式換熱器和分離室兩部分組成，主要用來濃縮具有放射性的乏燃料的硝酸溶液。換熱器與分離室均含有封頭部件。封頭一般采用板材熱沖壓成形或冷沖壓成形。但是，目前針對Ti-6Ta合金的研究主要集中于材料的加工、組織結(jié)構(gòu)、可焊接性及耐蝕性能等方面的研究[7-9]，而關(guān)于其板材沖壓成形工藝的研究卻鮮有報道。西安優(yōu)耐特容器制造有限公司承擔了某工程用乏燃料后處理設(shè)備中蒸發(fā)器的研制任務(wù)，對Ti-6Ta合金蒸發(fā)器封頭的沖壓成形工藝進行研究，為Ti-6Ta合金封頭等重要部件的設(shè)計和沖壓成形提供參考。

1　實　驗

1.1材料及設(shè)備

實驗材料為西北有色金屬研究院提供的厚度7.42 mm、直徑330 mm的退火態(tài)Ti-6Ta合金板材，其力學(xué)性能見表1。

表1Ti-6Ta合金板材的力學(xué)性能

Table 1　Mechanical properties of Ti-6Ta alloy plate

選用常規(guī)的鈦合金封頭成形模具，在315 t四柱油壓機上進行封頭沖壓成形。

1.2實驗過程

設(shè)計了3種沖壓成形方案，沖壓成形Ti-6Ta合金板材封頭。

方案一：采用冷壓成形，將板材放置在成形模具上，用315 t四柱油壓機直接進行沖壓成形。

方案二：采用熱沖壓成形，將板坯料在加熱爐中進行加熱，進爐溫度不高于350 ℃，升溫至680～700 ℃，保溫30 min，爐內(nèi)保持微氧化氣氛。成形模具預(yù)熱至200 ℃，采用315 t四柱油壓機沖壓成形，控制終壓溫度不低于550 ℃，之后進行空冷。

方案三：板坯料涂抹高溫防護涂料，熱沖壓成形。板坯料表面涂敷高溫防護涂料，自然風(fēng)干>24 h后，采用與方案二相同的工藝參數(shù)進行加熱和沖壓成形。對成形后的封頭內(nèi)外表面進行噴砂處理，除去防護涂料。將封頭端部多余部分車加工去除，清理封頭內(nèi)外表面氧化皮及附著物。最終得到規(guī)格為φ219 mm×7.42 mm的封頭試件。

1.3檢測分析

觀察封頭試件表面形貌，按NB/T 47013.5— 2015標準進行滲透探傷檢測。采用超聲波測厚儀，按圖1所示位置測量封頭各部位的厚度。

圖1　封頭測厚點示意圖Fig.1　Diagram of thickness distribution point of heads

參照RCC-M《壓力堆核島機械設(shè)備設(shè)計和建造規(guī)則》，按圖2所示在封頭上截取一個環(huán)形壓扁試樣，參照GB/T 3624—2010標準進行壓扁試驗。

圖2　壓扁試驗取樣位置示意圖Fig.2　Sampling point of flattening test

按圖3所示7個位置在封頭上截取拉伸試樣，依據(jù)GB/T 228.1—2010標準進行拉伸性能測試。

圖3　拉伸試驗取樣位置示意圖Fig.3　Sampling points of tensile test

在封頭的端部、過渡區(qū)及底部取硬度試樣，采用HBRV-187.5布氏硬度測試儀，按GB/T 231—2009標準測量硬度，載荷為612.9 N。采用光學(xué)顯微鏡觀察母材及封頭的顯微組織。

2　結(jié)果與討論

方案一采用的是冷壓成形方法，在試驗過程中板坯料發(fā)生了撕裂，試驗失敗，說明Ti-6Ta合金封頭不適合采用冷沖壓成形方法。方案二采用的是熱沖壓成形法，但沒有進行防氧化保護，沖壓的Ti-6Ta合金封頭在高溫作用下內(nèi)外表面均發(fā)生了氧化，說明Ti-6Ta合金熱沖壓成形過程必須進行防氧化處理。只有方案三得到了完整的封頭，故以下對方案三得到的Ti-6Ta合金封頭進行檢測結(jié)果分析。

2.1外觀質(zhì)量

圖4為方案三得到的Ti-6Ta合金封頭。從圖中可以看出，封頭內(nèi)外表面質(zhì)量良好，無褶皺、凹陷等缺陷。內(nèi)外表面按NB/T 47013.5—2015作100%滲透探傷檢測，為Ⅰ級合格。

圖4　方案三得到的Ti-6Ta合金封頭照片F(xiàn)ig.4　Photo of Ti-6Ta alloy head formed by the third way

表2為封頭各部位厚度測量結(jié)果。由表2可知，位置1處厚度與沖壓前板材厚度一致，沖壓過程中未減薄或增厚，位置2、4、5處增厚，位置3處減薄，經(jīng)計算減薄率為5.53%，滿足標準GB/T 25198—2010

表2 封頭各部位厚度測量值

Table 2　Thickness measurement result of head in various parts

《壓力容器封頭》中減薄率<13%的要求。

2.2組織形貌

圖5為Ti-6Ta合金板材的原始顯微組織及成形后封頭的顯微組織。從圖中可以看出，Ti-6Ta合金板材熱沖壓成形后，組織形貌無明顯變化，這是因為熱沖壓成形過程中溫度控制在合金的再結(jié)晶溫度以下，沖壓變形未對組織造成明顯的影響。

圖5　Ti-6Ta合金原始板材及成形后的封頭顯微組織Fig.5　Microstructures of original Ti-6Ta alloy plate and stamped head

2.3壓扁工藝性能

圖6為壓扁后的環(huán)形試樣，壓扁高度80.68 mm。經(jīng)觀察，壓扁試樣未出現(xiàn)裂紋，壓扁工藝性能合格。

圖6　壓扁后的環(huán)形試樣Fig.6　The annular specimen after flattening test

2.4力學(xué)性能

表3為7組試樣的室溫拉伸性能及硬度測量結(jié)果。從表中可以看出，試樣1強度下降1.77%，試樣6基本不變，其他5組試樣強度均有所提高，但幅度不大，最大增幅6.84%?？梢姡尚魏蟮姆忸^與母材強度基本相當，變化不大。

表3Ti-6Ta合金封頭室溫拉伸性能及硬度

Table 3　Room temperature tensile properties and hardness of Ti-6Ta alloy head

試樣1、2、4的表面布氏硬度分別為1 176、1 225、1 225 MPa，母材表面布氏硬度為1 225 MPa，表明Ti-6Ta合金板材經(jīng)熱沖壓后，材料硬度無明顯變化。

3　結(jié)　論

(1)Ti-6Ta合金封頭不適合采用冷沖壓成形法成形。

(2)Ti-6Ta合金封頭熱沖壓成形過程必須進行防氧化處理。

(3)表面涂抹高溫防氧化涂料的Ti-6Ta合金板材，在680～700 ℃進行熱沖壓成形，成形后封頭表面質(zhì)量良好，組織形貌與原始板材相比無明顯變化。

(4)熱沖壓成形后的Ti-6Ta合金封頭，其壓扁工藝性能合格，強度及硬度與母材基本相當，可以滿足Ti-6Ta合金承壓設(shè)備的制造要求。

[1]Mudali U K，Dayal R K，Gnanamoorthy J B.Corrosion studies on materials of construction for spent nuclear fuel reprocessing plant epuipment[J].Journal of Nuclear Materials, 1993, 203(1/2):73-82.

[2]Roderick Hydea，Muriel Ishikawa, Nathan Myhrvoldb, et al. Nuclear fission power for 21st century needs:enabling technologies for large-scale, low-risk,affordable nuclear electricity[J].Progress in Nuclear Energy,2008,50(2/6):82-91.

[3]Dey P K, Bansal N K.Spent fuel reprocessing: a vital link in Indian nuclear power progress[J].Nuclear Engineering and Design, 2006,236(7/8):723-729.

[4]Raj B, Mudali U K.Materials development and corrosion problems in nuclear fuel reprocessing plants[J].Progress in Nuclear Energy, 2006,48(4):283-313.

[5]Karen Alves de Souza, Alain Robin.Preparation and characterization of Ti-Ta Alloys for application in corrosive media[J].Materials Letters, 2003, 57:3010-3016.

[6]徐瀟瀟，崔嵐，邱紹宇，等.鈦合金在乏燃料模擬溶解液中的腐蝕行為[J].核動力工程，2005，26(4)：406-409.

[7]吳金平，楊英麗，趙恒章，等.焊接熱循環(huán)對Ti35鈦合金組織性能的影響[J].中國有色金屬學(xué)報，2010,20(增刊1)：650-653.

[8]吳金平，楊英麗，奚正平，等.Ti35合金焊接接頭在高溫硝酸中的腐蝕性能研究[J].鈦工業(yè)進展，2012,29(1)：22-25.

[9]宋品玲，吳金平，楊英麗.Ti-6Ta合金等離子焊焊接接頭的組織與性能[J].鈦工業(yè)進展，2013,30(6)：30-33.

Development of Ti-6Ta Alloy Heads

Zhang Cheng1，Yuan Minzhe1，Wu Jinping2，Xi Dalai1

(1.Xi’an United Vessel Manufacture Co.,Ltd.,Xi’an 710201,China)(2.Northwest Institute for Nonferrous Metal Research, Xi’an 710016,China)

Three stamping tests were designed to develop the new type of Ti-6Taα-titanium alloy heads, and the flattening property, tensile property, hardness, metallography of different parts of stamped heads were investigated. The results indicate that cold stamping process is not suitable for Ti-6Ta heads.φ219 mm×7.42 mm Ti-6Ta alloy head with good surface quality can be hot stamped at 680～700 ℃ by 315 t four pillar hydraulic machine after with high temperature oxidation resistant coating on the surface of Ti-6Ta alloy plate. There is no big difference between the microstuctures, tensile properties and hardness of Ti-6Ta alloy heads and plates. The flattening property of heads can meet the standard and the Ti-6Ta alloy heads can meet the requirements of pressure equipment.

Ti-6Ta alloy; heads; stamping

2016-01-21

張成(1975—)，男，工程師。

TG389

A

1009-9964(2016)03-0034-04