供稿|崔衛(wèi)東 ，王慶娟，孫國成, ，高世奇 / CUI Wei-dong , WANG Qing-juan SUN Guo-cheng, , GAO Shi-qi

內容導讀

本文研究了核電項目壓水堆燃料元件用φ 9.5 mm Zr-4合金包殼管在工業(yè)化真空退火爐經不同成品退火參數(shù)處理后的組織與性能的影響規(guī)律，對Zr-4合金包殼管在475 ℃/7.5 h、500 ℃/7.5 h、 520 ℃/7.5 h、525 ℃/7.5 h、530 ℃/7.5 h和545 ℃/7.5 h退火后進行了室溫拉伸、高溫拉伸、CSR、晶粒度等性能研究。研究結果表明，Zr-4合金包殼管在475 ℃/7.5 h至520 ℃/7.5 h退火后室溫拉伸、高溫拉伸、CSR等性能變化顯著，在530 ℃/7.5 h至545 ℃/7.5 h退火后性能變化不明顯，且經530 ℃/7.5 h 退火處理的管材晶粒細化程度最佳，晶粒尺寸分布均勻，平均晶粒尺寸2.64 μm。

鋯合金具有較低的熱中子吸收截面、良好的抗高溫高壓水腐蝕性能及良好的機械性能和加工性能，因此作為核結構材料廣泛應用于各種核反應堆[1-6]。目前，世界上投入運行的壓水堆燃料包殼材料多數(shù)采用Zr-4合金，核技術先進國家已有40多年的使用經驗，我國廣東大亞灣核電站和我國自行設計建造的秦山核電站首爐燃料包殼管和換料包殼管用的也是Zr-4合金。鋯合金包殼材料在成形過程中要經歷鑄錠熔煉、鍛造、淬火、熱擠壓、多道次冷軋以及中間退火和成品退火等工藝流程[7]。鋯合金管材的成品退火工藝對其顯微組織和力學性能有很大的影響。因此，本文通過對冷軋態(tài)φ 9.5 mm Zr-4合金包殼管分別進行475 ℃/7.5 h、500 ℃/7.5 h、520 ℃/7.5 h、 525 ℃/7.5 h、530 ℃/7.5 h、545 ℃/7.5 h成品退火，研究不同退火處理工藝對管材力學性能的影響，為核電項目壓水堆燃料元件用φ 9.5 mm Zr-4合金包殼管工業(yè)化生產提供參考。

實驗材料及方法

實驗材料

研究選用的Zr-4合金化學成分見表1。冷軋態(tài) φ 9.5 mmZr-4合金包殼管分別在工業(yè)化規(guī)模真空退火爐中進行475 ℃/7.5 h、500 ℃/7.5 h、520 ℃/7.5 h、 525 ℃/7.5 h、530 ℃/7.5 h、545 ℃/7.5 h成品退火，退火后進行顯微組織觀察和力學性能檢測。

表1 Zr-4合金化學成分(質量分數(shù)，%)

顯微組織觀察

將制備好的樣品在LEICA DM2500M金相顯微鏡下進行觀察。制樣方法：采用線切割機將管材試樣沿縱向剖開，觀察面為管材縱截面，經120#～800#金相水磨砂紙研磨，粗拋后用OP-S精拋，然后用H2O、HNO3、HF體積比為45∶45∶10的酸液進行蝕刻，時間約30 s，最后陽極氧化處理，使樣品表面呈藍色。

對樣品進一步處理后采用HITACHI S-3400N掃描電子顯微鏡進行實驗觀察，然后利用Channel 5 軟件包對所測樣品表面背散射數(shù)據(jù)進行晶體學統(tǒng)計和再結晶分析。制樣方法：用120#～3000#SiC水磨砂紙磨制試樣，然后用化學拋光的方法制備背散射樣品，化學拋光后立即用流水及乙醇沖洗干凈。

力學性能檢測

室溫拉伸試驗是在AG-X 100KN電子萬能材料拉伸試驗機上進行，按照GB/T228.1標準執(zhí)行；高溫拉伸是在WDW-50微控電子萬能試驗機上進行，按照GB/T228.2進行380 ℃高溫拉伸。拉伸試驗在0.003～0.007 mm/min的應變速率下通過屈服點，通過屈服點后增加十字頭移動速率約至0.05 mm/min。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪制應力-應變曲線，分別得到抗拉強度、屈服強度和斷后伸長率。室溫收縮應變比是在AG-X 100 kN電子萬能材料拉伸試驗機上進行，根據(jù)測量的室溫包殼管的收縮系數(shù)CSR值，可以估算管材性質的不均勻。

實驗結果與分析

退火工藝對微觀組織的影響

鋯合金管材經過冷軋變形后，其組織和性能都發(fā)生了一系列變化，原來等軸的晶粒沿著主變形的方向被拉長，各個晶粒已不能很清楚地辨別開來，呈現(xiàn)纖維狀，如圖1(a)所示。由于發(fā)生了晶內及晶間破壞，晶格產生了畸變以及出現(xiàn)第二、三類殘余應力等，其強度上升，塑性下降。而退火的目的在于足夠的提高材料組織和結構的熱力學穩(wěn)定性，以保證所要求的各種性能指標?；貜碗A段由于加熱溫度不高，變形金屬的顯微結構無顯著變化，晶粒仍保持纖維狀的變形，其強度、塑性變化不大；再結晶階段，隨溫度升高，強度顯著下降，塑性急劇升高；當晶粒長大時，強度繼續(xù)下降，塑性在晶粒粗化不十分嚴重時，仍有繼續(xù)升高趨勢，晶粒粗化嚴重時，塑性也下降。圖1(b)～(g)為6爐次成品退火后 φ 9.5 mm Zr-4合金包殼管實樣的顯微組織。

圖1(b)可以看出，在475 ℃下退火后φ 9.5 mm Zr-4合金包殼管組織仍處于晶粒破碎拉長狀態(tài)，而520 ℃退火后其組織已發(fā)生再結晶，如圖1(d)所示。

圖1 φ 9.5 mm Zr-4合金包殼管退火后的顯微組織圖片：(a) 冷軋態(tài)；(b) 475 ℃/7.5 h；(c) 500 ℃/7.5 h； (d) 520 ℃/7.5 h；(e) 525 ℃/7.5 h；(f) 530 ℃/7.5 h；(g) 545 ℃/7.5 h

為了進一步驗證再結晶后晶粒尺寸的變化，對發(fā)生再結晶的4種退火處理(520 ℃/7.5 h、525 ℃/7.5 h、530 ℃/7.5 h、545 ℃/7.5 h)的管材縱截面內晶粒尺寸進行統(tǒng)計。圖2為經不同退火工藝參數(shù)處理后管材的晶粒尺寸分布圖，其中530 ℃/7.5 h退火后晶粒尺寸分布范圍較窄，間接說明其晶粒尺寸分布較均勻 (圖2(c))。

圖2 不同退火處理參數(shù)管材的晶粒尺寸分布圖：(a) 520 ℃/7.5 h；(b) 525 ℃/7.5 h；(c) 530 ℃/7.5 h；(d) 545 ℃/7.5 h

為了進一步驗證上述分析，對4種不同退火處理參數(shù)的管材晶粒尺寸進行統(tǒng)計，如表2所示。結果與上述初步分析結論一致，可以看出，經530 ℃/7.5 h退火處理的管材晶粒細化程度最佳，且晶粒尺寸分布均勻。

表2 晶粒的統(tǒng)計學數(shù)據(jù)

形變金屬在退火過程中會發(fā)生再結晶，其再結晶的過程分為初次再結晶和晶粒長大兩個過程，而初次再結晶過程又包含兩個階段，一是再結晶形核過程，將再結晶體積分數(shù)≤10%時定義為形核階段；二是再結晶晶粒長大，完成時的再結晶體積分數(shù)最大為95%，這個階段的再結晶晶粒長大是指新形成的再結晶晶粒吞并形變組織的過程。

圖3為4種不同退火處理參數(shù)的管材進行再結晶分數(shù)圖?？梢钥闯觯瑥?20 ℃/7.5 h至545 ℃/7.5 h，材料處于初次再結晶晶粒長大階段，這個階段的再結晶長大是新形成的再結晶晶粒吞并形變組織的過程。

退火工藝對性能的影響

◆ 室溫拉伸

6爐次φ 9.5 mm Zr-4合金包殼管成品退火后室溫拉伸性能結果見圖4。可以看出，在相同的變形程度(變形量82.28%)和保溫時間(均為7.5 h)下，隨著退火溫度的升高，抗拉強度Rm和屈服強度Rp0.2逐漸降低，520 ℃退火后抗拉強度Rm和屈服強度Rp0.2開始趨于穩(wěn)定；而隨著退火溫度的升高，斷后伸長率A50mm逐漸升高，520 ℃退火后斷后伸長率A50mm為26.0%， 530 ℃退火后斷后伸長率A50mm為32.5%且趨于穩(wěn)定。

圖3 不同退火處理參數(shù)管材的再結晶分數(shù)圖：(a) 520 ℃/7.5 h；(b) 525 ℃/7.5 h；(c) 530 ℃/7.5 h；(d) 545 ℃/7.5 h

圖4 φ 9.5 mm Zr-4合金室溫拉伸隨退火溫度的變化趨勢圖

475 ℃退火后Zr-4合金包殼管抗拉強度Rm達 805 MPa，屈服強度Rp0.2為604 MPa，而斷后伸長率A50mm只有14.5%，這是由于Zr-4合金包殼管在此溫度下還沒有再結晶，如圖1(b)所示，其組織仍處于晶粒破碎拉長狀態(tài)。雖然此時組織中的點缺陷和位錯大為減少，晶格畸變降低，但金屬進一步滑移的阻力仍然很大，故其強度很高。而在520 ℃下退火抗拉強度Rm降低了248 MPa，屈服強度Rp0.2也下降，斷后伸長率A50mm則有大幅上升，升高至26.0%，這是由于Zr-4合金包殼管在此溫度下已發(fā)生再結晶，如1(d) 所示530 ℃退火后斷后伸長率A50mm為32.5%且趨于 穩(wěn)定。

◆ 高溫拉伸

6爐次φ 9.5 mm Zr-4合金包殼管成品退火后高溫(380 ℃)拉伸性能如圖5所示。圖中可以看出，隨著退火溫度的升高，退火后抗拉強度Rm和屈服強度Rp0.2逐漸降低，520 ℃退火后抗拉強度Rm和屈服強度Rp0.2開始趨于穩(wěn)定；而隨著退火溫度的升高，退火后斷后伸長率A50mm逐漸升高，且趨于穩(wěn)定。

圖5 φ 9.5 mm Zr-4合金高溫(380 ℃)拉伸隨退火溫度的 變化趨勢圖

475 ℃退火后Zr-4合金包殼管抗拉強度Rm達 464 MPa，屈服強度Rp0.2為367 MPa，而斷后伸長率A50mm只有18.8%，這是由于Zr-4合金包殼管此時還沒有再結晶，見圖1(b)，其組織仍處于晶粒破碎拉長狀態(tài)，金屬進一步滑移的阻力仍然很大，故其強度較高。當在520 ℃下退火抗拉強度Rm降低了214 MPa，屈服強度Rp0.2也下降，斷后伸長率A50mm則有大幅上升，升高至43.8%，這是由于Zr-4合金包殼管在此溫度下已發(fā)生再結晶，見圖1(d)。在520 ℃/7.5 h退火后斷后伸長率A50mm達到43.8%且趨于穩(wěn)定，這是由于在380 ℃拉伸時，溫度升高，致使材料能開動的滑移系數(shù)量增多，頸縮提前。

◆ 室溫收縮應變比(CSR)

根據(jù)測量的室溫包殼管材的收縮應變比(CSR)，結合管材顯微結構和軸向、切向應力值，可以估算管材性質的不均勻性。管材的收縮系數(shù)：

式中，εC為圓周延伸系數(shù)，εC＜0；εR為徑向延伸系數(shù)，εR＜0。

圖6為6爐次φ 9.5 mm Zr-4合金包殼管成品退火后室溫收縮應變比(CSR)?？梢钥闯觯S著退火溫度的升高，室溫收縮應變比(CSR)逐漸升高，在475 ℃至520 ℃退火后顯著增大，520 ℃退火后開始趨于 穩(wěn)定。

圖6 室溫收縮應變比(CSR)隨溫度的變化趨勢圖

由于Zr-4合金包殼管在475 ℃/7.5 h退火后還沒有再結晶，見圖1(b)，其組織仍處于晶粒破碎拉長狀態(tài)，雖然此時組織中的點缺陷和位錯大為減少，晶格畸變降低，但金屬進一步滑移的阻力仍然很大，而在520 ℃下退火后已發(fā)生再結晶，見圖1(d)。

結束語

通過不同熱處理工藝對φ 9.5 mm Zr-4合金包殼管組織和性能的影響分析，可以得到：

(1) 隨著退火溫度的升高，抗拉強度和屈服強度逐漸降低，斷后伸長率逐漸升高，在475 ℃至520 ℃退火后顯著降低，在520 ℃退火后開始趨于穩(wěn)定；隨著退火溫度的升高，室溫收縮應變比(CSR)逐漸升高，在475 ℃至520 ℃退火后顯著增大，520 ℃/7.5 h退火后開始趨于穩(wěn)定。

(2) Zr-4合金包殼管在475 ℃/7.5 h退火后其組織仍處于晶粒破碎拉長狀態(tài)，雖然此時組織中的點缺陷和位錯大為減少，晶格畸變降低，但金屬進一步滑移的阻力仍然很大，故其強度高，而在520 ℃/7.5 h 退火后已發(fā)生再結晶，故其性能發(fā)生顯著變化。從520 ℃/7.5 h至545 ℃/7.5 h退火后處于初次再結晶晶粒長大階段，是新形成的再結晶晶粒吞并形變組織的過程。經530 ℃/7.5 h退火處理的管材晶粒細化程度最佳，且晶粒尺寸分布均勻，平均晶粒尺寸2.64 μm。