淺析鋯合金β淬火組織差異

劉 瓊，謝 夢(mèng)，李宇力，張建軍，李新意，曹康琪

(西部新鋯核材料科技有限公司，陜西 西安 710299)

在鋯合金加工過(guò)程中，鍛造棒坯通常要通過(guò)β淬火使組織中的第二相重新溶入β相，使β穩(wěn)定元素充分、均勻固溶于鋯合金基體中，以提高成品的耐腐蝕性能。鋯合金在進(jìn)行β相冷卻的過(guò)程中，bcc結(jié)構(gòu)的β相會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)閔cp結(jié)構(gòu)的α相，且隨著合金成分和冷卻速率的變化，會(huì)得到不同的微觀組織。一般認(rèn)為[1]鋯合金生產(chǎn)中，淬火組織為Basketweave魏氏組織和Parallel-plate魏氏組織時(shí)，由于α板條內(nèi)有位錯(cuò)存在，有利于后續(xù)加工。

在鋯合金管棒坯生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，對(duì)應(yīng)同一鑄錠不同位置的鍛造棒坯淬火組織雖然均為魏氏組織，但對(duì)應(yīng)鑄錠頭部的鍛造棒坯淬火組織在晶界處有較多垂直/平行于晶界的平行板條組織，對(duì)應(yīng)鑄錠中部和尾部的鍛造棒坯淬火組織中網(wǎng)籃組織更為明顯。淬火組織中平行板條組織大量出現(xiàn)可能會(huì)影響材料的強(qiáng)-塑性，將導(dǎo)致加工過(guò)程中材料開(kāi)裂[3-4]。鋯合金淬火組織的這種差異可能會(huì)影響后續(xù)半成品及成品的產(chǎn)品質(zhì)量，因此本文從鍛造淬火工藝、合金元素、鑄錠組織結(jié)構(gòu)等方面對(duì)鋯合金鍛造棒坯淬火組織的差異進(jìn)行了分析。

1 試驗(yàn)過(guò)程

本文選用相同規(guī)格的Zr-1Sn-1Nb合金鑄錠和Zr-4合金鑄錠，根據(jù)其不同位置淬火組織的不同從鍛造淬火工藝、鑄錠合金元素及鑄錠組織進(jìn)行分析。其中1#鑄錠為Zr-1Sn-1Nb合金，2#鑄錠為Zr-4鑄錠，選擇試樣為對(duì)應(yīng)鑄錠頭部、中部和尾部的錠坯，錠坯均經(jīng)過(guò)淬火。鑄錠及錠坯情況見(jiàn)表1。

表1 鑄錠及錠坯情況

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 β淬火組織

鑄錠經(jīng)過(guò)鍛造、淬火處理后，在表1中所選取錠坯的端部取片狀試樣進(jìn)行金相檢測(cè)。每個(gè)片狀試樣的中心(I)、R/2(M)和邊部(O)分別取樣進(jìn)行觀察，樣片上取樣位置見(jiàn)圖1。

圖1 β淬火試樣取樣示意圖

圖2、圖3分別為1#鑄錠、2#鑄錠不同位置(T-對(duì)應(yīng)鑄錠頭部、Z-對(duì)應(yīng)鑄錠中部、W-對(duì)應(yīng)鑄錠底部)錠坯淬火后芯部、R/2和邊部的淬火組織。從圖中可以看出，同一棒坯其芯部、R/2和邊部的淬火組織基本相同，而對(duì)應(yīng)鑄錠不同位置的棒坯淬火組織存在差異。1-T和2-T芯部、R/2和邊部的組織在晶界處有較多垂直/平行于晶界的平行板條組織，而對(duì)應(yīng)鑄錠中部和尾部的其它棒坯的芯部、R/2和邊部淬火組織為明顯的網(wǎng)籃組織；且該趨勢(shì)在2#(Zr-4合金)鑄錠中表現(xiàn)更加明顯。

圖2 1#(Zr-1Sn-1Nb)鑄錠不同位置淬火組織

圖3 2#(Zr-4)合金鑄錠不同位置淬火組織

2.2 加工工藝的影響

在鋯合金加工過(guò)程中，初始鍛造和β淬火會(huì)對(duì)材料組織造成影響[4]，其中鍛造工序破碎鑄錠的柱狀晶，改善宏觀偏析，把鑄態(tài)組織變?yōu)殄憫B(tài)組織，并在合適的溫度和應(yīng)力條件下，焊合內(nèi)部孔隙，提高材料的致密度，控制材料晶粒的大小和均勻度，并改善第二相的分布。β淬火使其熔煉和鍛造錠坯組織中的第二相重新溶入β相，使Nb、Fe、Cr這些β穩(wěn)定元素在β相中過(guò)飽和，快速冷卻后合金元素過(guò)飽和固溶在α相中，合金元素充分和均勻固溶于鋯合金基體中。這樣一方面可以使合金元素分布更均勻化，另一方面又可以使成品管材抗腐蝕性能提高。

本文選用的兩個(gè)鑄錠在加工過(guò)程中，經(jīng)兩火次鍛造后進(jìn)行β淬火。鑄錠鍛造工藝見(jiàn)表2，所選取錠坯淬火工藝見(jiàn)表3。從表2可以看出，兩個(gè)鑄錠均采用相同工藝進(jìn)行拔長(zhǎng)鍛造，保證了鍛造過(guò)程中變形量的一致性。表3中，所取錠坯的淬火工藝也均在工藝要求范圍內(nèi)，錠坯轉(zhuǎn)移時(shí)間和淬火水溫均控制在較小的范圍內(nèi)，保證了錠坯淬火冷卻速率的一致性。通過(guò)鍛造工藝和淬火工藝的對(duì)比，兩個(gè)鑄錠不同位置錠坯的鍛造和淬火工藝均按照要求嚴(yán)格控制，基本一致，均形成了圖2和圖3所示的魏氏組織，但仍然存在不同位置淬火組織的不同，可以判斷，兩個(gè)鑄錠不同位置錠坯淬火組織差異不是由于鍛造、淬火工藝造成的。

表2 鍛造工藝

表3 β淬火工藝

2.3 鑄錠化學(xué)成分的影響

D. Charquet等人研究表明[5]網(wǎng)籃組織的形成與淬火冷卻過(guò)程相變的形核有關(guān)。Si、C等固溶度較低的元素，易形成網(wǎng)籃組織；而Ca、Mg、Na等元素只有以氯化物的形式添加時(shí)才易形成網(wǎng)籃組織，添加極少含量的Ca、Mg、Na等雜質(zhì)元素不足以使不含Cl的平行板條組織原材料形成網(wǎng)籃組織。

表4為1#鑄錠、2#鑄錠所選取錠坯對(duì)應(yīng)鑄錠不同位置的化學(xué)成分。其中每個(gè)鑄錠不同位置的C、Ca、Mg、Na含量基本一致；每個(gè)鑄錠不同位置Si元素含量也沒(méi)有相同的增長(zhǎng)趨勢(shì)，1#鑄錠尾部含量較頭部和中部高出10ppm，2#鑄錠頭部含量較中部和尾部高出10ppm。同一鑄錠元素的變化趨勢(shì)與其不同位置的淬火組織(圖2、圖3)變化趨勢(shì)也不盡相同，而本文兩個(gè)鑄錠在熔煉過(guò)程中，添加Ca、Mg、Na等元素的方式相同，因此可以判斷以上元素含量的差異不足以導(dǎo)致同一鑄錠不同位置錠坯淬火組織的差異。

對(duì)比1#鑄錠和2#鑄錠的C含量和Si含量，發(fā)現(xiàn)1#鑄錠的C含量約為40ppm，Si含量約為40ppm；2#鑄錠的C含量約為120ppm，Si含量約為90ppm；2#鑄錠的C含量和Si含量均高于1#鑄錠。對(duì)比圖2和圖3，2#鑄錠的網(wǎng)籃組織比1#鑄錠的網(wǎng)籃組織更加明顯，這與D. Charquet等人提出的Si 、C等元素的加入易形成網(wǎng)籃組織相吻合。

表4 1#鑄錠、2#鑄錠不同位置合金元素、雜質(zhì)元素(單位：ppm)

2.4 鑄錠組織的影響

本文中鑄錠均采用三次真空自耗熔煉而成。自耗熔煉的特點(diǎn)是邊熔化邊結(jié)晶，在熔煉過(guò)程中一直存在固態(tài)電極、液態(tài)熔池和已凝固的鑄錠三種狀態(tài)。而且鑄錠的凝固過(guò)程是由上而下的順序。初期，凝固主要從底部開(kāi)始，隨著鑄錠增長(zhǎng)，底部冷卻逐漸減弱，當(dāng)達(dá)到一定長(zhǎng)度時(shí)則邊緣冷卻占主導(dǎo)地位，柱狀晶逐漸改變方向，與徑向的夾角越來(lái)越小。鑄錠進(jìn)一步增長(zhǎng)到一定值時(shí)，柱狀晶幾乎與徑向平行。在鑄錠長(zhǎng)度方向上，結(jié)晶組織最終形成三個(gè)區(qū)，即鑄錠頭部的非平衡區(qū)、鑄錠中部的偽平衡區(qū)及尾部的非平衡區(qū)。根據(jù)結(jié)晶結(jié)構(gòu)的差異又可分為：堆積錐體，柱狀晶區(qū)，頭部晶區(qū)，表面晶層和錠冠[4]。

鑄錠頭部、中部及尾部結(jié)晶組織的不同必然導(dǎo)致在鍛造同一變形量作用下，形成不同大小的晶粒，最終導(dǎo)致同一鑄錠不同位置淬火過(guò)程中的組織差異。

3 結(jié)論

(1)鋯合金管棒坯生產(chǎn)過(guò)程中，不同鑄錠采用相同的鍛造和淬火工藝不會(huì)導(dǎo)致鑄錠不同位置錠坯淬火組織差異；

(2)C元素和Si元素較高含量的加入使Zr-4合金鍛造淬火組織較Zr-1Sn-1Nb合金鍛造淬火組織中的網(wǎng)籃組織更為明顯；

(3)鋯合金真空熔煉過(guò)程中，鑄錠頭部組織與其中部和尾部組織存在不同導(dǎo)致鑄錠經(jīng)鍛造、淬火后存在組織差異；

(4)不同牌號(hào)鋯合金鍛造淬火組織差異的存在對(duì)后續(xù)產(chǎn)品質(zhì)量的影響需做進(jìn)一步研究。