國產(chǎn)新鋯合金疲勞性能研究

吳 婧，楊忠波，朱其猛，劉然超，梁 波

(中國核動力研究設(shè)計院，四川 成都 610041)

由于鋯的熱中子吸收截面小，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，因此，鋯合金被用作核電廠水冷動力堆核燃料元件的包殼材料和堆芯的其他結(jié)構(gòu)材料。

核反應(yīng)堆運行時，鋯合金包殼的內(nèi)表面在約673 K的高溫條件下服役，而外包殼由冷卻水包圍。由于外包殼的服役載荷相對于內(nèi)包殼較大，所以需要對內(nèi)包殼進行充氦氣，氦氣的壓力需要稍微小于外包殼冷卻水的壓力。包殼內(nèi)部隨著核燃料的燃燒，內(nèi)部的壓力會進一步加大，基于電網(wǎng)的載荷波動以及頻率的控制，內(nèi)部芯塊的燃燒率需要進行一定的控制，從而包殼內(nèi)部的氣壓也隨著產(chǎn)生一定的波動，鋯合金包殼承受一定的循環(huán)載荷。燃料芯塊與包殼接觸燃燒時，隨即產(chǎn)生的氣體對包殼的沖擊作用更為明顯，即會產(chǎn)生更為明顯的循環(huán)載荷，因此在對于鋯合金包殼設(shè)計的過程中必須要考慮包殼的疲勞性能，留有足夠的疲勞壽命余量。另外對反應(yīng)堆內(nèi)的其他構(gòu)件例如鋯合金管道也會因為堆燃燒功率的波動和水冷卻介質(zhì)的流動發(fā)生明顯的循環(huán)變形。

目前國內(nèi)使用的鋯合金多依賴于進口，隨著國產(chǎn)鋯合金的成功研發(fā)，國產(chǎn)新型鋯合金將用于堆內(nèi)包殼以及其他管道構(gòu)件的生產(chǎn)，如上所述這些包殼要承受復(fù)雜的交變載荷的作用，在極端情況下出現(xiàn)破裂。因此需要對國產(chǎn)新鋯合金的疲勞性能進行研究。

本文對SZA-4和SZA-6兩種成分的鋯合金板材進行了疲勞性能研究。本文研究結(jié)果將為新鋯合金成分優(yōu)化與驗證提供參考，獲得全面的堆外應(yīng)用性能數(shù)據(jù)，完成鋯合金堆外性能評價，為建立鋯合金應(yīng)用性能數(shù)據(jù)庫提供數(shù)據(jù)支撐。

1 實驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為國核寶鈦鋯合金股份公司提供的SZA-4和SZA-6兩種成分國產(chǎn)新鋯合金板材，其主要成分見表1，狀態(tài)為再結(jié)晶態(tài)。

表1 國產(chǎn)新鋯合金主要成分Table 1 Main compositions of new domestic zirconium alloys 單位：%

1.2 試樣制備

疲勞試樣采用如圖1所示的漏斗型板材試樣。試樣厚度為3.9 mm，總長133 mm，漏斗部分半徑為100 mm，中間最窄部分寬度為10 mm。

圖1 高周疲勞試樣Fig.1 High cycle fatigue specimen

1.3 試驗方法

疲勞試驗參考國家標準GB/T 3075—2008 《金屬材料 疲勞試驗 軸向力控制方法》。試驗設(shè)備：GPS100型高頻疲勞試驗機；試驗環(huán)境：320 ℃、343 ℃及385 ℃空氣；加載方式：拉-拉；試驗頻率：4 500 r/min；試驗失效方式：斷裂或循環(huán)周次107以上；控制因素：載荷；最小應(yīng)力恒定為20 MPa；疲勞極限的確定方式采用單點試驗法。

2 實驗結(jié)果

2.1 應(yīng)力-壽命(S-N)曲線

圖2～圖7是根據(jù)2種新鋯合金疲勞試驗結(jié)果所作的320 ℃、343 ℃和385 ℃的S-N曲線。由圖可知，當試樣承受的試驗應(yīng)力越小時，斷裂時的疲勞壽命越大。

圖2 SZA-4合金板在320 ℃時的S-N曲線Fig.2 S-N curve of SZA-4 alloy plate at 320℃

圖3 SZA-4合金板在343 ℃時的S-N曲線Fig.3 S-N curve of SZA-4 alloy plate at 343℃

圖4 SZA-4合金板在385 ℃時的S-N曲線Fig.4 S-N curve of SZA-4 alloy plate at 385℃

圖5 SZA-6合金板在320 ℃時的S-N曲線Fig.5 S-N curve of SZA-6 alloy plate at 320℃

圖6 SZA-6合金板在343 ℃時的S-N曲線Fig.6 S-N curve of SZA-6 alloy plate at 343℃

圖7 SZA-6合金板在385 ℃時的S-N曲線Fig.7 S-N curve of SZA-6 alloy plate at 385℃

2.2 疲勞極限

根據(jù)單點試驗法對試驗數(shù)據(jù)進行處理，得到SZA-4、SZA-6兩種材料在320 ℃、343 ℃和385 ℃時的疲勞極限σ20 MPa(107)(最小應(yīng)力為20 MPa、107循環(huán)次數(shù)壽命時的疲勞極限)，如表2所示。

表2 新鋯合金板疲勞極限Table 2 The fatigue limits of new zirconium alloy plates

2.3 疲勞斷口

對斷裂后的斷口形貌進行觀察和分析，試驗后試樣表面有氧化色，表面試樣存在氧化現(xiàn)象。采用SEM對斷口形貌進行微觀分析，得到圖8～圖13，可發(fā)現(xiàn)多個裂紋源，疲勞裂紋萌生于試樣外表面(圖8a、圖9a、圖10a、圖11a、圖12a、圖13a)。疲勞擴展區(qū)呈現(xiàn)典型的疲勞條紋(圖8b、圖9b 、圖10b 、圖11b、圖12b、圖13b)。斷裂區(qū)微觀形貌主要表現(xiàn)為韌窩(圖12c)，

圖8 SZA-4合金板在320℃時的疲勞斷口Fig.8 The fatigue fracture of SZA-4 alloy plate at 320℃

圖9 SZA-4合金板在343℃時的疲勞斷口Fig.9 The fatigue fracture of SZA-4 alloy plate at 343℃

圖10 SZA-4合金板在385 ℃時的疲勞斷口Fig.10 The fatigue fracture of SZA-4 alloy plate at 385℃

圖11 SZA-6合金板在320 ℃時的疲勞斷口Fig.11 The fatigue fracture of SZA-6 alloy plate at 320℃

圖12 SZA-6合金板在343℃時的疲勞斷口Fig.12 The fatigue fracture of SZA-6 alloy plate at 343℃

圖13 SZA-6合金板在385 ℃時的疲勞斷口Fig.13 The fatigue fracture of SZA-6 alloy plate at 385℃

3 分析討論

根據(jù)S-N曲線以及疲勞極限，可以看出：SZA-4和SZA-6兩種材料在320℃時的疲勞極限相同；SZA-4在343℃和385℃時的疲勞極限相同；SZA-6在343℃和385℃時的疲勞極限相同；當溫度從320℃升高到343℃時SZA-4的疲勞極限下降得比SZA-6多，反映了SZA-4的疲勞極限下降趨勢對溫度的敏感性比SZA-6高；當溫度從343℃升高到385℃時SZA-4和SZA-6的疲勞極限均沒有繼續(xù)降低，說明SZA-4和SZA-6都存在動態(tài)應(yīng)變時效溫區(qū)，且343℃到385℃在這個動態(tài)時效應(yīng)變溫區(qū)范圍內(nèi)。

對試樣的表面存在氧化現(xiàn)象是由于在高溫下，空氣作為氧化性氣體將在試樣表面產(chǎn)生氧化物，在循環(huán)載荷的作用下，表面氧化膜與基體的變形不協(xié)調(diào)將發(fā)生破裂，露出的新鮮表面再次被氧化和破裂，成為優(yōu)先萌生裂紋的位置。對于斷口中呈現(xiàn)出的典型疲勞條紋，在恒定的外加循環(huán)載荷下，裂紋尖端不斷滑移而鈍化以及氧化，使裂紋在每次循環(huán)中擴展一個條帶寬度；這樣每循環(huán)一次裂紋就向前擴展一個疲勞條帶寬度，形成氧化后的疲勞條紋形貌。表明疲勞試樣最后的斷裂方式為典型的微孔聚集型韌性斷裂，韌窩表現(xiàn)為拋物線孔坑。

4 結(jié)論

(1)SZA-4和SZA-6在343 ℃與385 ℃狀態(tài)下的疲勞極限相對于320 ℃狀態(tài)由明顯降低，但SZA-4疲勞極限對溫度的敏感性更高，降低幅度更為明顯，達到30 MPa，SZA-6下降幅度僅為20 MPa。

(2)SZA-4和SZA-6在343 ℃與385 ℃狀態(tài)下的疲勞極限均相同，溫度的升高對它們的疲勞極限影響可以忽視，表明SZA-4和SZA-6都存在動態(tài)應(yīng)變時效溫區(qū)，且343 ℃到385 ℃在這個動態(tài)時效應(yīng)變溫區(qū)范圍內(nèi)。

(3)SZA-4與SZA-6鋯合金疲勞斷裂過程為裂紋源產(chǎn)生、裂紋擴展、斷裂，呈現(xiàn)出典型的疲勞斷裂圍觀特征，但疲勞過程中裂紋均伴隨著氧化現(xiàn)象。