李俊頎，孫效禹，葉遠(yuǎn)東，蔡貴川，成 熙，盛國福，余國嚴(yán)

(中廣核鈾業(yè)發(fā)展有限公司 中廣核先進(jìn)燃料工程試驗中心，廣東 陽江 529500)

0 引 言

鋯是一種性能優(yōu)良的稀有金屬，在化學(xué)周期表中位于Ⅳ-B族，原子質(zhì)量是91.22，具有良好的塑性與強(qiáng)度[1-2]，并且在高溫純水中耐腐蝕性能與不銹鋼相近，但是熱中子吸收能力是不銹鋼1/15，因此在原子能工業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，是反應(yīng)堆唯一使用的燃料元件包殼材料[3-4]。

燃料組件主要支撐構(gòu)件格架由條帶組裝，焊接而成。圖1為某型號條帶結(jié)構(gòu)示意圖，其厚度為0.457 mm，條帶表面分布有16個裝配細(xì)槽，將整個條帶分隔為17組柵元，每組柵元上有1個條帶彈簧和2個剛凸，用于支撐燃料棒。由于條帶在沖壓過程中會產(chǎn)生殘余應(yīng)力，影響組件堆內(nèi)運行的穩(wěn)定，因此需要對鋯合金格架條帶進(jìn)行消應(yīng)力熱處理，避免條帶上的成型特征在堆內(nèi)發(fā)生應(yīng)力松弛造成變形。

圖1 條帶外形結(jié)構(gòu)圖

熱處理后，由于應(yīng)力釋放，會造成成型特征回彈，尺寸收縮，因此需要對尺寸進(jìn)行一定補(bǔ)償。尺寸補(bǔ)償?shù)碾y點主要在于兩點：①由于不同特征的成型尺寸不同，強(qiáng)度不同，設(shè)計尺寸補(bǔ)償時，需綜合考慮所有成型特征，避免在補(bǔ)償部分特征的尺寸后，造成其它尺寸超差；②相同特征沖壓尺寸不同，熱處理后回彈量可能不同[5-6]，如條帶彈簧沖壓尺寸分別在上限和下限時，熱處理后回彈尺寸會有差異，因此需要對同一個特征的不同尺寸做工藝試驗。

筆者選擇某種鋯合金條帶的兩個典型特征進(jìn)行分析，初步設(shè)計了尺寸補(bǔ)償參數(shù)，通過熱處理工藝試驗，驗證了該參數(shù)的合理性。最后選用500片條帶進(jìn)行批量熱處理試驗，通過大批量試驗，最終驗證該尺寸參數(shù)的適用性。

1 試驗材料與方法

實驗材料選用的是國核寶鈦公司生產(chǎn)的CZ合金，采用真空氣淬爐進(jìn)行消應(yīng)力熱處理，工藝參數(shù)如表1所列。

表1 消應(yīng)力熱處理工藝參數(shù)

依據(jù)相關(guān)技術(shù)要求，采用如下工藝對鋯合金條帶進(jìn)行消應(yīng)力熱處理，工藝曲線如圖2所示。

圖2 鋯合金零部件消應(yīng)力熱處理循環(huán)曲線

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 條帶彈簧尺寸補(bǔ)償設(shè)計試驗

圖3為某型號條帶彈簧，其長為20.6 mm，寬為4±0.05 mm，高度名義尺寸是1.83 mm，位置度0.1；表明高度尺寸最大值不能超過1.88 mm，最小值不能低于1.78 mm。彈簧尺寸有以下兩個特點：①長寬比較高，強(qiáng)度低，不易控制熱處理后尺寸；②條帶彈簧形狀為弧形，其半徑為R20 mm的圓弧，需要注意防止過沖，以防形狀變形。為確定補(bǔ)償尺寸，首先做一輪消應(yīng)力熱處理工藝試驗，設(shè)計彈簧高度沖壓尺寸是1.92、1.9、1.88、1.86、1.84、1.82、1.80、1.78 mm共8組，每組有2個試樣。消應(yīng)力熱處理后條帶彈簧尺寸變化如表2所列。

圖3 條帶彈簧外形結(jié)構(gòu)圖

表2 條帶彈簧消應(yīng)力熱處理試驗結(jié)果統(tǒng)計 /mm

其統(tǒng)計圖如圖4所示，熱處理后彈簧高度降低約0.01～0.04 mm，平均降低0.031 mm，收縮了約1.67%，其中熱處理前彈簧高度為1.816～1.9 mm時，熱處理后尺寸合格。在保證沖壓合格率前提下，經(jīng)過仔細(xì)的分析和評估，暫定熱處理前沖壓尺寸為1.85±0.04 mm，這樣經(jīng)熱處理后，其高度尺寸會在中值附近。

圖4 條帶彈簧消應(yīng)力熱處理前后尺寸統(tǒng)計圖

2.2 剛凸高度尺寸補(bǔ)償設(shè)計試驗

剛凸外形如圖5所示，其長度約為6.6 mm，寬度為3±0.05 mm，高度名義尺寸是1.35 mm，位置度0.06；表明其尺寸最大值不能超過1.38 mm，最小值不能低于1.32 mm。與彈簧不同的是，剛凸長寬比較低，形狀近似于圓角矩形，結(jié)構(gòu)緊湊，熱處理后回彈應(yīng)比條帶彈簧小。為確定補(bǔ)償尺寸，首先做一輪工藝試驗，設(shè)計沖壓尺寸是1.4、1.38、1.36、1.34 mm共4組，每組2個試樣。

圖5 剛凸外形結(jié)構(gòu)圖

表3為剛凸高度熱處理前后尺寸統(tǒng)計數(shù)據(jù)，其統(tǒng)計圖如圖6所示，熱處理后剛凸的高度尺寸變化為-0.001～0.009 mm，平均降低0.003 25 mm，收縮了約0.23%，可以認(rèn)為高度近似無變化，因此可不對剛凸高度進(jìn)行補(bǔ)償。

表3 剛凸高度熱處理前后尺寸對比表 /mm

圖6 剛凸高度熱處理前后尺寸統(tǒng)計圖

2.3 批量熱處理工藝試驗

為驗證尺寸補(bǔ)償?shù)男Ч?，選用500片條帶，按照擬定的沖壓參數(shù)沖壓，隨后進(jìn)行消應(yīng)力熱處理驗證試驗。圖7為熱處理前后不同條帶的條帶彈簧高度平均值統(tǒng)計圖，橫坐標(biāo)為不同條帶號。如圖所示，消應(yīng)力熱處理后，條帶彈簧高度尺寸降低約0.02 mm，其尺寸均在技術(shù)要求范圍內(nèi)。

圖7 批量熱處理前后條帶彈簧高度平均值變化統(tǒng)計圖

圖8為批量熱處理下，剛凸高度平均值統(tǒng)計圖，橫坐標(biāo)為不同條帶號。如圖所示，消應(yīng)力熱處理后，其高度尺寸均在技術(shù)要求范圍內(nèi)且基本無變化。

圖8 批量熱處理前后剛凸高度平均值變化統(tǒng)計圖

3 結(jié)束語

此實驗針對鋯合金零部件消應(yīng)力熱處理后尺寸回彈問題，提出了通過尺寸補(bǔ)償?shù)玫胶细竦某叽绶椒?，并進(jìn)行試驗驗證。結(jié)果表明，對于具有一定弧度的特征，如條帶彈簧，需要一定的尺寸補(bǔ)償；對于長寬比較小，具有一定剛度的特征，如剛凸，可不加尺寸補(bǔ)償。研究結(jié)論對類似鋯合金零部件的沖壓補(bǔ)償設(shè)計提供了參考。