Zr-4合金管材加工工艺对氢化物取向因子的影响

供稿|李启明，杜忠泽，王文倩，3，，于军辉，3， / LI Qi-ming, , DU Zhong-ze,WANG Wen-qian, , YU Jun-hui,

作者单位：1. 西安建筑科技大学冶金工程学院，陕西 西安 710055；2. 国核宝钛锆业股份公司，陕西 宝鸡 721013；3. 国家能源核级锆材研发中心，陕西 宝鸡 721013；4. 陕西省核级锆材重点实验室，陕西 宝鸡 721013

随着我国经济的迅速发展，传统火力发电量已远不能满足我国日益增长的供电需求[1]。核能发电具有电厂占地面积小、高效率、可控性强的特点而在我国发电种类的比重逐渐增加[2]。基于锆合金中子截面吸收率小的特点，推动了锆合金的研究与开发。用锆合金代替不锈钢作为核反应堆的结构材料，可以节省铀燃料的1/2左右[3]。同时，锆合金还在高温高压下具有良好的加工性能和抗蚀性能，所以广泛应于水冷反应堆的堆芯包壳材料和结构材料，成为核电站反应堆的重要必备材料[4]。

在核反应堆运行时，锆合金表面被水氧化的同时，还会同时生成氢气。部分氢被锆合金吸收生成片状或者针状氢化锆(ZrHx)。研究表明氢化锆是一种很脆的第二相。若锆合金中含有较少的氢化物则会影响锆合金的延展性能；若锆合金中含有较多的氢化物则会造成锆合金材料失效。文献认为轧制和退火工艺对Zr-4合金包壳管氢化物取向有较大的影响。轧制加工Q值越大，锆合金管材的氢化物取向因子越小，氢化物取向因子随成品退火温度的升高而升高[5-8]。氢化物取向因子是衡量核反应堆用Zr-4合金管材氢化物的指标。国内外对Zr-4合金氢化物的形貌和影响因素进行了一定的研究，但是鲜有人从加工工艺上对Zr-4合金管材进行研究[9，10]。本文从轧制送进量、退火参数和矫直弯曲量对Zr-4合金氢化物取向因子进行研究，为丰富锆合金理论和实践，提高核反应堆的质量和安全奠定基础。

实验

轧制

实验使用 f22 mm×2.5 mm的Zr-4合金管坯，分别按照轧制送进量0.5、0.8、1.3 mm/次的要求进行轧制。轧制后进行氢化物取向因子检测。

退火

将三种不同轧制送进量下轧制的管材按560℃/4 h的退火参数进行退火，每种类型管材退火后进行氢化物取向因子检测。

矫直

矫直使用VRM30六辊矫直机对每种类型管材进行矫直。管材矫直弯曲量分别为5、6、7 mm，矫直过程中矫直辊角度一致。矫直后，每种管材检测氢化物取向因子。

检测

使用氢氧化锂高压釜方法把氢气渗入试样内，处理温度不超过414℃。具体的渗氢实验过程就是将实验管材切取25 mm的试样，置于高压釜内，在一定的温度(360℃)和压力(18.6 MPa)下于浓度为l moL/L的氢氧化锂溶液中渗氢，保温一定的时间(一般2~4 h，以渗氢量控制在1×10–4~2×10–4为宜)。管壁的端面沿整个壁厚划分为相等的三层：外层、中间层、内层，为方便测量可适当放大氢化物取向金相图。

结果与分析

不同轧制送进量对氢化物取向的影响

不同送进量轧制后的管材氢化物取向结果见表1。

从表1可见，氢化物取向整体随着送进量的增大而增大。氢化物取向的外层和内层随着送进量的变大而变大；中间层的氢化物取向变化不大。

图1是三个方案轧制后Zr-4合金管试样氢化物取向的金相照片。管材在轧制过程中，管坯外层与轧辊孔型接触，内层与芯棒芯头接触。两个接触面受到的应力最大，故同一截面的外层和内层氢化物取向高于中间层的氢化物取向。对比外层和内层氢化物取向因子会发现轧制后外层氢化物取向低于内层氢化物取向，这是因为管材内径比外径曲面小，相对受力更集中，更容易产生径向的氢化物，从而表现为氢化物取向高。随着送进量的增大，管材的变形加剧，晶界处原子排列不规则，产生点阵畸变，能量较高，对位错有阻碍作用，位错在晶界处缠绕、塞积，内应力较大，氢化物析出集中在较高应力区。因此高送进量下氢化物取向因子高于低送进量。

退火对轧制氢化物取向的影响

为了研究退火对轧制后氢化物取向的影响，将三种轧制送进量的管材进行退火。管材退火后的氢化物取向因子检测结果如表2所示。

图1 不同轧制送进量轧制后锆合金管材试样氢化物取向金相图

表2 退火后氢化物取向检测结果

通过表2可以看出退火后氢化物取向普遍增高，因为Zr-4合金包壳管材成品再结晶退火温度一般都在520~580℃，再结晶后晶界的取向发生变化[3-5]。图2是三个送进量轧制方案轧制且退火后锆合金管材试样氢化物取向金相图，退火后氢化物取向呈现紊乱无序的状态。

不同矫直弯曲量对氢化物取向的影响

不同矫直弯曲量对氢化物取向的影响见表3。通过表3可以看出矫直后管材的整体氢化物取向关系是：7 mm氢化物取向＞6 mm氢化物取向＞5 mm氢化物取向。弯曲量决定了管材在矫直过程中的变形程度，只有在管材上产生塑性变形才能矫直管材。如果弯曲量过大，则会由于材料塑性变形过大而引起管材的氢化物取向因子增加。随着矫直弯曲量的增加氢化物取向平均值明显增大，同时外层的氢化物取向也明显增大，这是因为矫直过程中矫直辊只与管材外表面接触，从而影响外层氢化物取向的变化。

表3 不同矫直弯曲量对氢化物取向的影响

图2 不同轧制送进量轧制且退火后锆合金管材试样氢化物取向金相图

图3 矫直后锆合金管材试样氢化物取向金相图

结论

(1) 锆合金轧制管材的氢化物取向分布是内层＞外层＞中间层；氢化物取向因子随着轧制送进量的增大有增大趋势。

(2) 再结晶退火后管材氢化物呈无序状态，氢化物取向增大。

(3) 弯曲矫直过程中，随着弯曲量的增大，氢化物取向因子增大。