【摘 要】
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锆合金由于抗高温水和过热蒸汽腐蚀性能优良、机械性能良好以及热中子吸收截面低,被广泛用作核反应堆的燃料包壳材料。锆合金管材制备过程中的冷热塑性加工和最终退火对锆合金包壳管组织和性能有很大影响,因此很有必要研究锆合金管材在冷热塑性加工过程中的显微组织演变和性能评价,以及不同成品退火对锆合金包壳管组织和性能的影响,从而为锆合金包壳管加工工艺制定提供指导,达到改善锆合金包壳管综合性能的目的。本文以一种Zr
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锆合金由于抗高温水和过热蒸汽腐蚀性能优良、机械性能良好以及热中子吸收截面低,被广泛用作核反应堆的燃料包壳材料。锆合金管材制备过程中的冷热塑性加工和最终退火对锆合金包壳管组织和性能有很大影响,因此很有必要研究锆合金管材在冷热塑性加工过程中的显微组织演变和性能评价,以及不同成品退火对锆合金包壳管组织和性能的影响,从而为锆合金包壳管加工工艺制定提供指导,达到改善锆合金包壳管综合性能的目的。本文以一种Zr-Sn-Nb-Fe锆合金（Zr-0.5Sn-0.5Nb-0.3Fe）为研究对象,研究选取锆合金包壳管制备过程的高温锻造、β相淬火、热挤压制备管坯、多道次冷轧及中间退火、不同最终退火后的样品,研究了锆合金包壳管在冷热塑性加工过程中的金相组织、第二相和织构的变化规律和性能评价,以及不同成品退火对锆合金包壳管组织和室温拉伸、高温拉伸、氢化物取向以及在360℃/18.6MPa去离子水、360℃/18.6MPa含锂水和400℃/10.3MPa水蒸汽3种不同腐蚀水质中的长期耐腐蚀性能的影响。通过试验研究,确定了Zr-Sn-Nb-Fe锆合金铸锭β相区开锻,其加热温度为1050℃,保温时间不小于3.5小时,锻造后的棒坯没有夹杂和裂纹,铸造组织已经完全破碎,试样心部、中部和边部晶粒尺寸基本相同,组织均匀一致,反映出较好的锻造性能。锆合金锻棒经1070℃,加热循环780s淬火处理后,金相组织由平行或网篮状的α相组成,整体呈魏氏组织,没有第二相析出,合金元素全部过饱和固溶在了锆合金基体中。Zr-Sn-Nb-Fe锆合金采用α相单相区挤压工艺,经640℃,保温3分钟的加热后,以3mm/s的低温低速挤压条件完成管坯挤压。挤压后管坯组织呈现流线组织,晶粒沿挤压管坯轴向拉长,呈带状分布,具有变形组织的特点。第二相呈条状分布,第二相尺寸较小。挤压管坯经第一次冷轧后,管材晶粒沿轧制方向变形并破碎,呈现不均匀的纤维状组织,再经过第一次中间580℃/3h退火处理后,发生了回复和不完全再结晶;管材第二次、第三次、第四次冷轧的形变程度依次增大,中间退火580℃/3h处理后,均发生了完全再结晶,得到了均匀的再结晶组织,退火后晶粒细化程度也逐渐增大。退火样品的第二相分布比轧制样品更为均匀,第二相颗粒没有明显长大和析出。多道次冷轧变形及中间退火很好地控制了变形织构,形成了径向织构占主导地位的基面织构特点。研究了3种不同退火组织（去应力、部分再结晶和再结晶）对锆合金管材力学性能、氢化物取向和腐蚀性能的影响。随退火温度的升高,室温拉伸和高温拉伸强度降低、塑性提高,氢化物取向因子增大;3种不同退火组织的管材在360℃/18.6MPa/去离子水中的腐蚀性能基本没有差异;在360℃/18.6MPa/0.01M Li OH水溶液中的腐蚀行为受最终退火制度的影响较大,去应力退火样品的耐腐蚀性能略优于部分再结晶退火样品,且这两种样品的耐腐蚀性能都明显好于再结晶退火样品;在400℃/10.3MPa/水蒸汽中的腐蚀性能去应力退火样品的耐腐蚀性能略好于在另外两种最终退火温度的样品。
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