激光强化法提高锆管轧制用孔型寿命研究进展

供稿|毛继军，施迁，于军辉 /

作者单位：1. 国核宝钛锆业股份公司，陕西 宝鸡 721013；2. 国家能源核级锆材研发中心，陕西 宝鸡 721013；3. 陕西省核级锆材重点实验室，陕西 宝鸡 721013

内容导读

激光冲击强化是一种新型金属材料强化技术，能够通过在部件近表面引入残余压应力的方式显著提高金属材料的抗疲劳性能。文章研究了激光强化技术在锆合金冷轧用孔型试块和成品精磨孔型受力区域的应用，并用X射线衍射法测量试块冲击表面层产生的残余压应力大小及深度。结果表明：采用激光强化后的试块残余压应力随着深度的增加而降低，同时还发现在试块约1 mm深度处，其残余压应力数值与淬火后的残余压应力数值基本保持一个水平；采用激光强化后的孔型轧制后的管材尺寸、表面质量、直线度均满足要求、超声和涡流检测结果均合格。退火后管材的室温拉伸、氢化物取向因子以及收缩系数(CSR)检测结果全部满足产品技术条件要求，且与平时生产批次的管材性能基本相当；采用激光强化孔型的方法可有效的提高孔型的使用寿命。

锆合金具有热中子截面吸收率小和优异的抗腐蚀性能，常用于水冷核反应堆的燃料包壳管材料和结构材料[1]。目前，锆合金包壳管的主要加工方式为轧制，通过两辊周期往复运动的形式实现锆合金管材的变形[2-4]。周期式Piger轧制是锆合金包壳管材变形的主要方法，在锆合金管材轧制变形过程中，冷轧孔型的失效模式主要为剥落和疲劳开裂失效。若轧制孔型寿命较低，将严重影响锆合金管材的质量和稳定性，并增加生产成本、降低生产效率。采用表面强化处理是延长孔型的使用寿命的方法之一。

激光冲击强化是一种新型金属材料强化技术，能够通过在部件近表面引入残余压应力的方式显著提高金属材料的抗疲劳性能。激光强化技术可以直接作用于孔型表面，利用其快速加热和冷却的特点在孔型表面生成硬化层，从而提高孔型的抗疲劳性能、延长孔型的使用寿命[5-7]。本研究采用表面激光强化工艺，对孔型槽进行表面强化，以增加其抗疲劳性能，提高孔型寿命。为提高孔型的质量，确保轧制出的锆合金包壳管的质量合格奠定基础。

孔型槽受力分析

管材冷轧孔型是由模具钢材料(如AISI H13)经过一定的热处理工艺制成。在孔型上加工出孔型槽(见图1)。在管材轧制时，孔型槽会限制管材的变形，孔型会同时受压应力和拉应力作用，其中拉应力沿孔型槽横向的分量使孔型槽趋向于张开(见图2)。随着轧机机架的往复运动，孔型会沿着轧制中线往复滚动，该过程是应力加载与卸载的周期循环过程，而拉应力沿孔型槽横向分量的周期循环特性会导致孔型槽底部出现疲劳开裂失效。孔型槽只在接触轧制管的瞬时变形区时受到应力作用。

图1 孔型示意图

图2 孔型槽剖面示意图

为解决孔型槽受拉应力引起的疲劳开裂失效问题，在孔型槽表层引入残余压应力，抵消孔型槽在轧制过程中所受的循环拉应力，以提高孔型的抗应力疲劳性能，从而延长孔型使用寿命。这是采用激光强化提高孔型抗疲劳强度从而大幅度提高孔型寿命的理论依据。

实验方法

选用H13模具钢作为实验材料，H13模具钢组成成分如表1。使用线切割设备在H13孔型上切出25 mm×25 mm×25 mm立方块3个，保留原孔型的淬火层作为激光冲击表面，对两个试块淬火表面进行激光强化，另外一个试块不进行激光冲击留作对比，试块具体的激光冲击工艺为：激光能量为2～20 J，脉冲宽度为5～50 ns，作用光斑直径为1.0～5.0 mm，光斑搭接率为10%～90%。对孔型试块激光冲击后的表面层以及未激光冲击的试块(相同表面)沿厚度方向测量残余压应力。

表1 H13模具钢化学成分(质量分数，%)

对一副成品管材轧制用的H13孔型进行孔型槽全区域激光冲击，该孔型轧制变形规格为7.78 mm×2.3 mm→f10.00 mm×0.7 mm。先对强化后的孔型先进行了轧制性能验证(测试其轧制出的锆合金管材尺寸、表面质量、直线度、超声检测和涡流检测)，然后在同轧制轧机、同轧制工艺参数和制造芯头等条件下，对比测试强化后的孔型轧制锆合金管材坯料数量。

结果与分析

激光冲击后残余压应力变化

对孔型试块激光冲击后的表面层以及未激光冲击的试块(相同表面)沿厚度方向测量残余压应力，测量结果如图3。从图3可以看出，试块残余压应力随着深度的增加而降低，同时还发现在试块约1 mm深度处，其残余压应力数值与淬火后的残余压应力数值基本保持一个水平。通过激光冲击处理，能够在孔型试块表层引入深度较大的残余压应力，其数值约为淬火试块的10倍。说明通过激光冲击可有效提高孔型材料表层的残余压应力。

图3 试块激光冲击后表层残余压应力变化

激光强化孔型寿命对比实验

为了评估激光强化对孔型轧制性能的影响，对激光强化后的孔型进行管材轧制性能验证。结果表明，在现有工艺参数下，采用激光强化后的孔型轧制后的管材尺寸、表面质量、直线度均满足要求、超声和涡流检测结果均合格。退火后管材的室温拉伸、氢化物取向因子以及收缩系数(CSR)检测结果全部满足产品技术条件要求，且与平时生产批次的管材性能基本相当。图4是室温拉伸性能对比结果，图5是室温收缩应变比(CSR)对比结果。

图5 室温收缩应变比(CSR)测试结果

图6 为激光强化孔型与同批次未强化孔型轧制寿命对比图。从图可见，在工艺参数相同条件下，激光强化后的孔型共完成1608支7.78 mm规格的管坯轧制生产，而未强化的孔型完成管坯轧制的数量分别为853支、1009支及1080支。综上所述，采用激光强化孔型的方法可有效提高孔型的使用寿命。

图6 激光强化孔型与同批次未强化孔型轧制寿命对比图

结束语

(1) 试块残余压应力随着深度的增加而降低，同时还发现在试块约1 mm深度处，其残余压应力数值与淬火后的残余压应力数值基本保持一个水平。

(2) 采用激光强化后的孔型轧制后的管材尺寸、表面质量、直线度均满足要求、超声和涡流检测结果均合格。退火后管材的室温拉伸、氢化物取向因子以及收缩系数(CSR)检测结果全部满足产品技术条件要求，且与平时生产批次的管材性能基本相当。

(3) 采用激光强化孔型的方法可有效提高孔型的使用寿命。