軋制和退火工藝對鋯-4合金包殼管材氫化物取向的影響

趙林科,王增民

(國核寶鈦鋯業股份公司,陜西 寶雞 7210014)

軋制和退火工藝對鋯-4合金包殼管材氫化物取向的影響

趙林科,王增民

(國核寶鈦鋯業股份公司,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鋯-4合金包殼管材氫化物取向的影響。結果表明,無論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;退火溫度對氫化物取向的影響與加工Q值有密切關系, Q值越大,退火溫度對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,并具有優異的耐高溫水腐蝕性能、良好的綜合力學性能和理想的熱導率,被廣泛應用于核反應堆堆芯結構材料和包殼材料[1]。當鋯合金包殼的運行溫度低于 150℃時,過量固溶在鋯-4合金中的氫以氫化物的形式析出,會產生氫脆。氫脆會引起鋯合金包殼管的破裂,威脅反應堆的核安全[2]。氫脆的產生不僅與氫化物的數量、尺寸大小、形狀結構有關,而且與氫化物取向有很大關系[2-3]。大量徑向氫化物的存在使鋯合金斷裂韌性降低,裂紋通過徑向氫化物進行擴展導致包殼管破裂。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鋯-4合金包殼管材氫化物取向因子的影響規律。

2 實 驗

2.1 管材軋制

實驗使用 φ17.78mm×2.05mm鋯-4合金管坯經 KPW 25軋機軋制成 3種不同規格的管材,加工工藝如下。

軋制后的成品管材在523℃保溫3.5 h進行成品退火。

2.2 退火處理

對軋制的 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的制度進行成品退火。

2.3 消除應力二次退火

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

2.4 滲氫及氫化物取向因子和顯微組織的測定

用高壓釜對鋯-4合金包殼管進行滲氫處理,滲氫條件為:溫度 360℃,滲氫壓力 18.6M Pa,滲氫時間 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設備測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 結果與分析

3.1 軋制加工Q值對氫化物取向的影響

不同加工Q值管材退火前后的氫化物取向因子測試結果見表1。從表1可以看出,無論 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管材內側氫化物呈周向分布,外側氫化物分布較為雜亂,這是由于內側加工Q值大于外側加工Q值;工藝 C管材析出的氫化物取向雜亂無序。

表1 軋制工藝Q值對氫化物取向的影響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,由實驗結果可見,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。而且退火溫度對氫化物取向影響與加工 Q值有很大關系,Q值越大,退火溫度對氫化物取向的影響越小。

鋯-4包殼管滲氫時,其機理是氫進入合金包殼管中沿著應力方向或向熱梯度遷移,在晶體中存在晶界、位錯等缺陷,在這些地方原子排布不像完整晶體那樣規則,它們和點缺陷以及溶質原子有交互作用,使這些地方擴散系數比完整晶體的高,氫在晶界處的含量較高,由于氫在α-Zr中固溶度很有限,當氫含量超過極限固溶度,或降低溫度時,多余的氫以氫化物的形態沿晶界析出[4-5]。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,使晶界能下降[6]。在大變形塑性加工時,晶粒的形狀也發生變化,多晶粒中原先任意取向的各個晶粒發生轉動,從而使取向趨于一致,形成擇優取向的加工織構[7]。織構是決定氫化物取向的主要因素,退火后在沒有內應力的情況下,氫化物取向主要取決于鋯管的基極織構,切向基極織構容易得到徑向分布的氫化物,徑向基極織構容易得到切向分布的氫化物。軋管工藝是減壁減徑的復合過程,提高Q值能減少織構的分散度,Q值越大,徑向織構分布越好,越有利于氫化物沿周向析出分布。

3.2 成品退火溫度對氫化物取向的影響

圖2為管材經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,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),當退火溫度提高到470℃溫度以上,氫化物取向發生變化,氫化物取向因子比消除應力退火的高。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,氫化物取向因子增大緩慢,但高于 540℃時,氫化物取向因子迅速增大。

圖2 退火溫度對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晶退火和消除應力退火。消除應力退火通常在 500℃以下進行,由于在消除應力過程中,金屬只發生了回復,顯微組織仍然存在明顯的加工織構,對氫化物取向影響不大[5-6]。鋯-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[5-7],氫化物析出取向也有所變化。φ8.01mm×0.65mm管材再結晶退火后的晶粒尺寸見表2。由表2可以看出,退火溫度越高,再結晶及晶粒生長的越快,改變原來軋制晶粒取向越大,氫化物取向因子越大。

表2 φ8.01mm×0.65mm管材金相檢驗結果Table 2 Metellographical detection ofφ8.01mm×0.65mm tubes

3.3 消除應力二次退火對氫化物取向的影響

消除應力二次退火后管材氫化物取向檢測結果見表3和圖4?？梢钥闯?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上進行矯直時,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力導致氫化物徑向析出 (見圖4a),二次消除應力退火使應力得到釋放,氫化物析出時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 論

(1)無論軋制加工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,加工 Q值越大,管材的氫化物取向因子越小。

(3)退火溫度對氫化物取向影響與加工 Q值有密切關系,Q值越大,退火溫度對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℃消除應力二次退火能顯著地改善氫化物取向。

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

[2]劉建章.核結構材料 [M].北京:化學工業出版社, 2007:85-172.

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

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

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[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。