论文部分内容阅读
M5锆合金属于Zr-Nb系合金,主要用作设计燃耗为55GWd/tu-60GWd/tu的核反应堆燃料包壳管。核燃料包壳管包覆着反应堆燃料块,处于高温、高压、中子辐射、硼离子水腐蚀等苛刻环境中,长期使用会导致燃料包壳管产生膨胀、腐蚀、材料脆断等现象,直接威胁到核电站的安全,且世界核反应堆不断朝着高燃耗、延长换料周期的方向发展,使得燃料包壳管服役环境更为苛刻,这些都对核燃料包壳管的力学性能和耐腐蚀性能等提出了更高的要求。目前,我国对Zr-Nb系合金的研究较少,对M5锆合金p相区淬火处理的组织和力学性能研究还未见报道。本文主要采用单因素试验方法对本校研究者的正交试验结果进行优化,并研究淬火+回火态的M5锆合金显微组织以及力学性能的变化以及600h、1000h、1700h的热老化对淬火+回火态M5锆合金显微组织和力学性能的影响,为探索新的热处理工艺、改善现有锆合金的安全使用性能以及实现核燃料锆合金国产化提供理论参考。单因素试验的组织分析和力学性能测试表明,920℃4min淬火,610℃保温8h为最优热处理工艺。热老化前后的显微组织分析表明：退火态国产M5锆合金的金相组织为极细小等轴晶粒,晶界平直,晶内有高密度的位错网,晶内弥散分布有大小不均匀的第二相粒子；淬火+回火态的金相组织为棒条状孪晶马氏体,有少量位错,晶粒粗大,晶粒大小不均匀且局部出现锯齿状晶界,未见第二相粒子析出；马氏体孪晶组织碎化程度和位错密度随老化时间延长而增大。由不同状态M5锆合金力学性能数据分析可得：淬火+回火后的M5锆合金包壳管的轴向和环向强度均明显高于退火态M5锆合金,塑性较退火态M5锆合金显著降低；环向拉伸时,热老化后较热老化前强度有所下降,且随热老化时间延长强度呈逐渐下降趋势,热老化后的塑性较热老化之前略有提高,热老化前后轴向拉伸的强度和塑性无显著差异。退火态M5合金显微硬度平均值为197HV,淬火+回火后为227HV,热老化后为226HV,淬火+回火的M5锆合金的显微硬度明显高于退火态M5锆合金,热老化前后硬度值基本不变。SEM断口分析表明：三种状态的M5锆合金宏观均为灰色纤维状,微观断裂机理为微孔聚集型,断裂类型为韧性断裂。试验结果表明：淬火+回火态的M5锆合金的强度明显大于退火态M5锆合金且具有较好韧性,有望取代退火态M5锆合金以应用于核反应堆。不同热老化时间的淬火+回火态M5锆合金包壳管内外壁生成一层灰白色较致密的氧化膜,且随着老化时间的延长,氧化膜厚度不断增加且氧化膜的颜色也由暗灰白色转变为亮灰白色；氧化膜的增加到达一定厚度时,氧化膜出现开裂。