Zr-4成品包殼管矯直工藝的優(yōu)選研究

肖 穎，吳銀川，李曉維，嚴(yán)寶輝，李俊倉

(西部新鋯核材料科技有限公司，陜西 西安 710299)

鋯合金具有較低的熱中子吸收截面以及熱中子反應(yīng)堆中子經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)勢，同時還具有抗腐蝕性能、加工性能優(yōu)異以及與鈾燃料良好的相容性等特點(diǎn)。目前，世界上運(yùn)行的400余座壓水堆(包括輕水堆和重水堆)和沸水堆核電站均以鋯合金作為包殼材料。因此，鋯合金已成為一種重要的戰(zhàn)略材料，被譽(yù)為“原子時代的第一金屬”[1-2]。氫化物取向因子是鋯合金包殼管成品性能要求的重要指標(biāo)之一，直接影響管材性能，該指標(biāo)在ASTM標(biāo)準(zhǔn)中有明確要求。在Zr-4管材軋制加工工藝確定的情況下，不同的管材矯直工藝對管材的氫化物取向因子有很大影響，同時還會影響管材直線度、產(chǎn)生漲徑或縮徑，造成管材不合格。本文采取兩種不同的矯直工藝對Zr-4成品包殼管進(jìn)行矯直，分析矯直工序?qū)懿闹本€度、外觀尺寸、氫化物取向的影響，重點(diǎn)研究了純反彎彎曲矯直法彎曲量對包殼管矯直質(zhì)量的影響，探討適用于實(shí)際生產(chǎn)的矯直工藝。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用Φ10mm×0.7mm 規(guī)格的Zr-4成品包殼管作為試驗(yàn)用料，使用10輥立式輥式矯直機(jī)，按照表1的矯直工藝路線分別進(jìn)行了壓力矯直、彎曲矯直試驗(yàn)。

表1 矯直工藝試驗(yàn)方案

每組實(shí)驗(yàn)矯直20支管子，在矯直角度、矯直輥轉(zhuǎn)速一致的情況下，選用不同的矯直參數(shù)對Zr-4管材進(jìn)行加工，并對加工后管材的直線度、外徑變化量、氫化物取向進(jìn)行檢測評估，從而優(yōu)選出合適的矯直工藝參數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同矯直工藝對包殼管直線度的影響

對矯直后的包殼管進(jìn)行直線度檢測，測量結(jié)果見表2。除4#試驗(yàn)外，壓力矯直和其他彎曲矯直后的管材直線度測試結(jié)果均能符合美標(biāo)ASTM B811直線度小于0.25mm/305mm的要求[3]，但矯直后管材表面輥印深淺不一。從管材矯直效果來看，壓力矯直基本符合矯直壓力與表面質(zhì)量成線性關(guān)系的規(guī)律，即矯直輥印深淺隨著矯直壓力的增加而變深，特別是1#試驗(yàn)矯后管材表面輥印較深且矯直螺旋紋無法通過拋光去除，而3#試驗(yàn)矯直螺旋紋可拋光去除，4#試驗(yàn)矯后管材表面基本無矯直痕跡。同時，比對4#試驗(yàn)至8#試驗(yàn)過程，發(fā)現(xiàn)在較小彎曲量下管材矯直后的直線度較差，會出現(xiàn)直線度不合格現(xiàn)象；隨著矯直彎曲量增加，管材矯直的效果有所提高但管材表面矯直螺旋紋會增多。試驗(yàn)中6#試驗(yàn)狀態(tài)較為理想。

表2 Zr-4管材矯直后的直線度測量結(jié)果

2.2 不同矯直工藝對包殼管外徑變化量的影響

為了進(jìn)一步研究壓力矯直和彎曲矯直對管材尺寸的影響，對2#試驗(yàn)至8#試驗(yàn)矯直后管材的外徑變化量進(jìn)行了測量，測量結(jié)果見表3。

表3 Zr-4管材矯直前后外徑變化量測量結(jié)果

注：外徑變化量=矯直前平均外徑-矯直后平均外徑

由測量結(jié)果可以看出，矯直后的極差較矯直前減小，說明矯直過程可以改善管材的橢圓度，有利于產(chǎn)品質(zhì)量的改進(jìn)。這是由于在矯直過程中，管材通過矯直設(shè)備時管材在橫截面上發(fā)生反復(fù)的彈塑性變形，管材內(nèi)部應(yīng)力得到充分釋放，進(jìn)而起到了改善橢圓度的效果。此外，壓力矯直較彎曲矯直對管材外徑的變化量影響更大，而不同的彎曲量對管材的外徑變化量影響不同，小彎曲量彎曲矯直對外徑變化量的影響較小，如4#試驗(yàn)到8#試驗(yàn)，管材矯直后外徑變化量逐漸增大。試驗(yàn)中5#、6#試驗(yàn)狀態(tài)較為理想。

2.3 不同矯直工藝對包殼管氫化物取向的影響

氫化物取向因子是鋯合金包殼管合格的判定指標(biāo)之一，影響成品管材性能。已有研究結(jié)果表明，鋯合金的吸氫脆化與吸氫量和材料本身析出氫化物取向均有關(guān)系，而徑向氫化物比周向氫化物更易導(dǎo)致管材破裂，且氫化物取向取決于鋯合金管材加工過程[4]。矯直工藝是影響管材氫化物取向的關(guān)鍵工序，對比壓力矯直和彎曲矯直后的管材氫化物分布情況，圖1是采用壓力矯直和彎曲矯直后管材氫化物照片，可以看出帶壓矯直容易造成管材氫化物取向呈徑向分布，而純反彎彎曲矯直氫化物分布基本沿周向分布。

(a)極限壓力矯直；(b)壓力矯直；(c)彎曲壓力矯直；(d)純反彎彎曲矯直圖1 矯直后管材氫化物照片F(xiàn)ig.1 Pictures of hydride orientation after straightening

對1#試驗(yàn)至8#試驗(yàn)的氫化物分布情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，并測算出氫化物取向因子，結(jié)果見表4。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，壓力矯直條件下，1#試驗(yàn)至3#試驗(yàn)管材氫化物均出現(xiàn)了超標(biāo)；而在純反彎彎曲條件下矯直彎曲量增加到一定數(shù)值后，氫化物取向因子也出現(xiàn)了超標(biāo)，即4#至6#試驗(yàn)氫化物取向因子滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，而7#和8#試驗(yàn)彎曲量加大后，管材氫化物取向因子均出現(xiàn)了超標(biāo)。在純反彎實(shí)驗(yàn)條件下，基本滿足彎曲量越小氫化物越好的規(guī)律。由此可見，采取適當(dāng)?shù)膹澢渴潜ＷC管材氫化物指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的主要因素之一。

分析氫化物分布產(chǎn)生的原因，壓力矯直工藝是采用平行輥矯直，按遞減壓彎規(guī)律進(jìn)行多次反復(fù)錯壓彎以達(dá)到矯直目的，在矯直過程中管材反復(fù)受到矯直輥的徑向壓力，導(dǎo)致變形織構(gòu)趨于徑向分布，促使氫化物取向因子增大。彎曲矯直僅采用設(shè)備的前后上輥及中間下輥，通過矯直輥的上下彎曲進(jìn)行矯直，沒有平行輥直接對管材的集中壓力，與管材接觸的3個矯直輥產(chǎn)生的彎矩沿管材軸向分散，這種分散輕微的徑向壓力不會造成管材織構(gòu)取向的改變；但當(dāng)彎曲量增大到一定量后，矯直彎矩分散在管材表面的壓應(yīng)力超過極限值，就會導(dǎo)致管材內(nèi)部織構(gòu)取向發(fā)生變化，進(jìn)而促使管材氫化物取向因子增大。

表4 不同矯直工藝矯直后氫化物取向因子測量結(jié)果

3 結(jié)論

(1)采用適當(dāng)彎曲量的純反彎彎曲矯直工藝有利于獲得理想的氫化物分布，可以降低鋯合金管材氫化物取向的敏感性，提高成品管材矯直工序產(chǎn)品合格率；

(2)通過對矯直工藝的摸索，認(rèn)為純反彎彎曲矯直法適用于Zr-4成品包殼管實(shí)際生產(chǎn)，在本試驗(yàn)條件下，彎曲量為4.0mm～4.5mm時管材的矯直效果最好，氫化物取向因子滿足ASTM B811標(biāo)準(zhǔn)要求。