萬(wàn)積俊

(上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200233)

核電機(jī)組堆內(nèi)構(gòu)件可以實(shí)現(xiàn)燃料組件及其相關(guān)組件的合理布置，使冷卻劑進(jìn)入堆芯，并在堆芯中具有合理的流量分布，避免滯流區(qū)和產(chǎn)生強(qiáng)烈的流致振動(dòng)。由于堆內(nèi)構(gòu)件在高溫、高壓、高中子輻照的環(huán)境運(yùn)行，而且堆內(nèi)構(gòu)件材料需長(zhǎng)期經(jīng)受冷卻劑的高速?zèng)_刷。在如此苛刻的條件下，為了保證堆內(nèi)構(gòu)件在設(shè)計(jì)壽命內(nèi)安全可靠地運(yùn)行，堆內(nèi)構(gòu)件材料的選擇顯得非常重要[1]。

堆內(nèi)構(gòu)件材料的選擇一般考慮如下因素：強(qiáng)度適中，塑韌性好，抗沖擊和抗疲勞性能好；中子吸收截面和中子俘獲截面較小，感生放射性??；抗輻照、耐腐蝕性強(qiáng)；熱膨脹系數(shù)?。缓附雍蜋C(jī)加工性能優(yōu)良；成本較低。綜合考慮上述原則的情況下，“核電”壓水堆主體材料選用低碳奧氏體不銹鋼和高硅錳鉻鎳奧氏體不銹鋼。國(guó)內(nèi)外對(duì)奧氏體不銹鋼的研究主要集中在304、304L和316L等類型[2-5]，而針對(duì)高硅錳鉻鎳奧氏體不銹鋼S21800的研究較為缺乏。彭成等[6]研究了鍛件固溶溫度對(duì)高硅錳鉻鎳奧氏體不銹鋼晶間腐蝕特性的影響，發(fā)現(xiàn)950～1200 ℃固溶處理+敏化處理試樣很難發(fā)生晶間腐蝕行為。

某三代核電項(xiàng)目堆內(nèi)構(gòu)件用SA479 S21800材料，是在ASME II卷SA-479材料的基礎(chǔ)上結(jié)合了ASME NCA卷、ASME NB卷和ASME NG卷中的相關(guān)規(guī)定，增加了高溫拉伸要求、棒材規(guī)格Φ≥150 mm橫向取樣等要求。該項(xiàng)目中350 ℃高溫拉伸抗拉強(qiáng)度≥535 MPa，尤其針對(duì)規(guī)格Φ≥150 mm的圓鋼鍛件，拉伸試樣需要橫向取樣，使得材料的高溫抗拉強(qiáng)度很難滿足要求。另外，結(jié)合棒材的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，設(shè)計(jì)文件還對(duì)材料的成型、鋼錠冶煉、化學(xué)成分、熱處理方式、無(wú)損探傷、驗(yàn)收等都提出了嚴(yán)苛的驗(yàn)收要求。

為了解決該材料批量生產(chǎn)的技術(shù)難題，本文將結(jié)合SA479 S21800材料的使用要求，研究鍛造工藝和化學(xué)成分對(duì)大規(guī)格SA479 S21800材料的力學(xué)性能的影響，同時(shí)為核電項(xiàng)目中該材料的設(shè)計(jì)指標(biāo)優(yōu)化提供有效的數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗(yàn)方法和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

1.1 主要技術(shù)要求

根據(jù)設(shè)計(jì)要求應(yīng)對(duì)每爐鋼水進(jìn)行熔煉分析，電渣重熔冶煉時(shí)應(yīng)在每個(gè)重?zé)徜撳V上取樣，結(jié)果滿足表1的規(guī)定。每批鍛棒應(yīng)進(jìn)行成品分析，成品分析試樣應(yīng)取自拉伸試樣的鄰近部位或斷裂的拉伸試樣端部，成品分析結(jié)果應(yīng)滿足表1的規(guī)定。

表1 SA-479 S21800材料化學(xué)成品分析和熔煉分析要求值 單位：%

根據(jù)設(shè)計(jì)要求交貨鍛棒拉伸試驗(yàn)需滿足表2的要求，棒材規(guī)格Φ≥150 mm時(shí)，拉伸試樣橫向取樣，取樣位置在棒材二分之一半徑處。硬度試驗(yàn)可在拉伸試樣的鄰近部位或者鍛棒端面二分之半徑處測(cè)定，要求≤241HB。

表2 SA479 S21800材料拉伸試驗(yàn)要求值

鍛件晶粒度應(yīng)按照ASTM E112評(píng)定，結(jié)果應(yīng)為大于等于4級(jí)。棒材非金屬夾雜物按照ASTM E45方法A進(jìn)行評(píng)定，結(jié)果滿足A類(粗系和細(xì)系)和B類(粗系和細(xì)系)小于等于2.0級(jí)、C類(粗系和細(xì)系)和D類(粗系和細(xì)系)小于等于1.5級(jí)。

1.2 試驗(yàn)方法及過(guò)程

本次試驗(yàn)中采用的型號(hào)為CSS-44300的萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、型號(hào)為XJB-1金相顯微鏡和型號(hào)為HB-3000 的硬度檢測(cè)儀都在有效期范圍內(nèi)，試驗(yàn)和操作人員具有相關(guān)資質(zhì)。

首先，選用冶煉爐號(hào)為G001和G002的兩爐鋼錠，兩爐鋼錠冶煉分析部分元素成分如表3所示。再用冶煉爐號(hào)為G001鋼錠按照軸向反復(fù)鍛造工藝(如圖2所示)和徑向十字鍛造工藝(如圖3所示)各鍛造1根規(guī)格為Φ250×1340 mm圓鋼(編號(hào)為：G001-1和G001-2)，鍛造完成后對(duì)圓鋼進(jìn)行固溶處理(詳見(jiàn)圖1)。接著按照本文1.1節(jié)相關(guān)要求取樣完成力學(xué)性能和金相試驗(yàn)，對(duì)比鍛造工藝A和B的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表3 試驗(yàn)用鋼錠熔煉分析 單位：%

圖1 SA-479 S21800圓鋼固溶處理示意圖

其中，圓鋼G001-1采用軸向反復(fù)鍛造工藝，該工藝如圖2所示，先下料，然后沿著軸向鐓粗，接著沿著軸向拔長(zhǎng)，繼續(xù)沿著軸向鐓粗和拔長(zhǎng)(即4～5的過(guò)程可以重復(fù)多次)，最后進(jìn)行滾圓處理。

1.毛坯下料 2.鐓粗 3.拔長(zhǎng)

而圓鋼G001-2采用徑向十字鍛造工藝，該工藝如圖3所示，先下料，然后鋼錠沿著軸向鐓粗到一定的高度，再沿著徑向兩個(gè)互相垂直的方向進(jìn)行鐓粗和拔長(zhǎng)，最后進(jìn)行滾圓處理。

1.毛坯下料 2.鐓粗 3.拔長(zhǎng)

最后，再用冶煉爐號(hào)為G002的鋼錠鍛造一根規(guī)格為Φ250×1340 mm圓鋼(編號(hào)為：G002-1)，鍛造工藝選擇軸向反復(fù)鍛造工藝和徑向十字鍛造工藝中較優(yōu)的，鍛造完成之后也按如圖1所示工藝進(jìn)行固溶處理。同樣，在棒材上劃線取樣完成力學(xué)性能和金相檢測(cè)。再分析不同化學(xué)成分組成對(duì)圓鋼性能的影響。結(jié)合兩次試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比情況，選擇最優(yōu)的鍛造工藝和化學(xué)成分組成。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 鍛造工藝的影響

兩根圓鋼G001-1和G001-2鍛造完成后，按照?qǐng)D1工藝進(jìn)行固溶處理，再按照本文1.1節(jié)要求取樣進(jìn)行理化試驗(yàn)。硬度試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，圓鋼G001-1硬度指標(biāo)略微低于G001-2，且G001-1和G001-2硬度試驗(yàn)結(jié)果都在合格范圍內(nèi)。

表4 不同鍛造工藝下Φ250圓鋼硬度試驗(yàn)結(jié)果 單位：HB

結(jié)合表2和表5可以發(fā)現(xiàn)，采用軸向反復(fù)鍛造工藝的G001-1室溫屈服強(qiáng)度、高溫屈服強(qiáng)度和高溫抗拉強(qiáng)度都不符合設(shè)計(jì)要求，而采用徑向十字鍛造工藝的G001-2僅高溫抗拉強(qiáng)度不符合設(shè)計(jì)要求。說(shuō)明采用徑向十字鍛造工藝，材料的力學(xué)性能有了明顯的提升。雖然后者結(jié)果也不合格，但是考慮到該結(jié)果是在反復(fù)優(yōu)化工藝后，進(jìn)行大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上得來(lái)的，且該材料的高溫抗拉設(shè)計(jì)指標(biāo)有一定的安全余量。所以在滿足安全和設(shè)計(jì)冗余的情況下可以對(duì)該材料的設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，將高溫抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求值下調(diào)10%，修訂為≥481 MPa。

表5 不同鍛造工藝下Φ250圓鋼拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果

同時(shí)，兩組圓鋼都按照ASTM A262方法E進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)，試樣敏化處理(保溫溫度675 ℃±5 ℃)后按要求彎曲180°，在10倍放大鏡下觀察彎曲外表面，試樣表面并無(wú)裂口和裂紋產(chǎn)生(如圖4所示)。而兩組圓鋼分別按照ASTM E112和ASTM E45 進(jìn)行評(píng)定，發(fā)現(xiàn)晶粒度都能達(dá)到4級(jí)，非金屬夾雜物也符合要求。這個(gè)結(jié)果也與彭成等[6]的研究結(jié)果基本吻合，950～1200 ℃固溶處理后很難出現(xiàn)晶間腐蝕行為。

圖4 晶間腐蝕試樣彎曲后表面狀態(tài)

綜上，采用軸向反復(fù)鍛造工藝，鍛造時(shí)不改變方向，操作比較容易掌握，鍛后鍛件坯料中心的碳化物偏析區(qū)的金屬不會(huì)向外流動(dòng)，僅能保證鍛件表層金屬的碳化物細(xì)小均勻。同時(shí)軸向反復(fù)鍛造方法以軸向變形為主，橫向變形不足，所以軸向性能優(yōu)異而橫向力學(xué)性能不佳。采用徑向十字鍛造方法，金屬流動(dòng)較大，有利于擊碎坯料中心部分的碳化物，不過(guò)此鍛造方法需要經(jīng)常改變鍛造方向，對(duì)鍛造操作人員技術(shù)要求較高。而且徑向十字鍛造工藝軸向和橫向變形都較為充分，材料趨于各向同性，橫向取樣后力學(xué)性能也較為優(yōu)異。

2.2 鋼錠化學(xué)成分的影響

已知圓鋼G001-2采用較為理想的徑向十字鍛造工藝，其力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果除了高溫抗拉強(qiáng)度外都符合要求，且高溫抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)余量至少10%以上，所以G001-2也能符合項(xiàng)目使用要求。同時(shí)也可以發(fā)現(xiàn)G001-2室溫和高溫屈服強(qiáng)度已經(jīng)接近臨界值，如進(jìn)行批量生產(chǎn)，不合格的風(fēng)險(xiǎn)仍然較高。因此，可以在此基礎(chǔ)上優(yōu)化鋼錠化學(xué)成分，改善產(chǎn)品力學(xué)性能。所以，研究人員在確定采用徑向十字鍛造工藝的情況下，在設(shè)計(jì)要求允許的范圍內(nèi)通過(guò)改變化學(xué)成分來(lái)提升材料的性能。

通過(guò)對(duì)比表1和表3可以看出，冶煉爐號(hào)為G001和G002的兩爐鋼錠熔煉分析結(jié)果都在設(shè)計(jì)要求的合格范圍內(nèi)，除了C和N含量差異較大，其他大部分元素含量都非常接近。其中G002的C元素從0.025%增加到0.033%，N元素從0.105%增加到0.172%?；瘜W(xué)成分調(diào)整之后，按照徑向十字鍛造工藝鍛造一根G002-1圓鋼，再按圖1進(jìn)行固溶熱處理，然后按照本文1.1節(jié)要求進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。表6～7是G002-1圓鋼固溶熱處理處理后的力學(xué)性能結(jié)果。通過(guò)與G001-2圓鋼力學(xué)性能數(shù)據(jù)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，G002-1硬度、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都有所提升。這是因?yàn)镃和N的含量越高，不銹鋼的力學(xué)性能強(qiáng)度越高，而且根據(jù)蕭紀(jì)美等[7]的研究發(fā)現(xiàn)，N對(duì)不銹鋼材料的強(qiáng)度影響甚至大于C。但是，C元素對(duì)不銹鋼的晶間腐蝕有很大影響，C含量越高，越容易生成Cr3C2型化合物，進(jìn)而增加晶間腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。一般認(rèn)為C含量低于0.035%為超低碳奧氏體不銹鋼，抗晶間腐蝕能力突出，不易發(fā)生晶間腐蝕。所以該項(xiàng)目中為了兼顧材料的力學(xué)性能和抗晶間腐蝕能力，C含量上限應(yīng)該控制在0.035%。為了進(jìn)一步提升材料的力學(xué)性能，只能提升N含量，使其接近0.18%的上限要求。

表6 改變鋼錠部分元素化學(xué)分成后Φ250圓鋼硬度試驗(yàn)結(jié)果 單位：HB

而N含量對(duì)不銹鋼的晶間腐蝕影響機(jī)理較為復(fù)雜，為了驗(yàn)證結(jié)果是否符合要求，圓鋼G002-1也按照ASTM A262方法E進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)，試樣敏化處理(保溫溫度675 ℃±5 ℃)后按要求彎曲180°，在10倍放大鏡下觀察彎曲外表面，試樣表面并無(wú)裂口和裂紋。再分別按照ASTM E112和ASTM E45 進(jìn)行評(píng)定，發(fā)現(xiàn)晶粒度都能達(dá)到4級(jí)，非金屬夾雜物也符合要求。說(shuō)明在該鍛造工藝和化學(xué)組成的情況下，不僅力學(xué)性能滿足要求，而且金相和晶間腐蝕也都符合要求。

表7 改變鋼錠部分元素化學(xué)分成后Φ250圓鋼拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

本文研究了規(guī)格為Φ250的SA-479S21800材料特性，通過(guò)對(duì)比兩種鍛造工藝，發(fā)現(xiàn)徑向十字鍛造工藝軸向和橫向變形都較為充分，橫向取樣后力學(xué)性能也較為優(yōu)異，但對(duì)鍛造操作人員的技術(shù)水平要求較高。軸向反復(fù)鍛造工藝，僅在軸向反復(fù)變形，其橫向性能表現(xiàn)不佳，但該鍛造工藝操作簡(jiǎn)單便于執(zhí)行。

然后在確定鍛造工藝的情況下，通研究鋼中C和N元素變化對(duì)性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著C元素和N元素含量的提高，材料的力學(xué)性能有明顯提升。但C元素含量過(guò)高后，可能存在晶間腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)，因此建議C含量控制在接近0.035%即可。為了進(jìn)一步提升材料的力學(xué)性能，可以使鋼錠中N含量趨近于0.18%的上限要求。當(dāng)然通過(guò)試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)，該材料高溫抗拉強(qiáng)度(≤535 MPa)設(shè)計(jì)要求值偏高，在后續(xù)項(xiàng)目中將進(jìn)行優(yōu)化，把材料的高溫抗拉強(qiáng)度修正為≤481 MPa，這樣在滿足安全使用的情況下，更利于材料的批量生產(chǎn)。