張 偉，王旭峰，楊 鋒，張海芹，雷 江，焦 康

(西部新鋯核材料科技有限公司，陜西 西安 710299)

0 引 言

在核反應(yīng)堆中，鋯合金包殼管承受著高溫、高壓及輻照等嚴(yán)苛環(huán)境考驗(yàn)。在高溫條件下，鋯合金具有強(qiáng)烈的吸氫能力，當(dāng)鋯合金中的氫含量超過極限固溶度時(shí)就會(huì)析出氫化物[1]。核反應(yīng)堆中鋯合金吸氫途徑有很多種，如水受輻射分解產(chǎn)生氫、鋯與冷卻水反應(yīng)(Zr+2H2O→ZrO2+2H2)等。研究表明，鋯合金中的氫化物是一種脆性相，很容易引發(fā)周圍基體的晶格畸變，在周圍形成應(yīng)力場(chǎng)，從而引起包殼材料韌性下降，并最終導(dǎo)致包殼材料損壞[2-3]。氫化物對(duì)鋯合金包殼管的破壞作用與其取向密切相關(guān)，當(dāng)氫化物取向?yàn)橹芟驎r(shí)，包殼管的塑性下降較少，為徑向或接近徑向時(shí)，塑性下降明顯[5-6]。影響氫化物取向的因素較多，主要有管材加工過程中的Q值(相對(duì)減壁量與相對(duì)減徑量的比值)、矯直工藝、熱處理、應(yīng)力狀態(tài)等[4]。在Q值及最終熱處理狀態(tài)得到保證的條件下，矯直工藝對(duì)氫化物取向起決定性作用。這就要求在進(jìn)行包殼管矯直時(shí)，既要保證管材的直線度，也必須同時(shí)滿足對(duì)氫化物取向的要求。

Zr-Sn-Nb系合金是繼Zr-4合金之后獲得應(yīng)用的新鋯合金。近年來，各國核材料領(lǐng)域研究者對(duì)氫化物取向的形成機(jī)理[7]、Zr-Sn-Nb系合金的腐蝕吸氫性能、氫化物與Zr-Sn-Nb系合金基體晶體學(xué)結(jié)構(gòu)關(guān)系及氫化物對(duì)其管材力學(xué)性能的影響做了許多研究[8]。但關(guān)于矯直工藝對(duì)Zr-Sn-Nb系合金包殼管殘余應(yīng)力及氫化物取向方面的研究相對(duì)較少，本研究從矯直工藝參數(shù)(輥縫值、彎曲量、矯直輥角度)出發(fā)，分析再結(jié)晶退火條件下經(jīng)矯直后，Zr-Sn-Nb系合金管材殘余應(yīng)力與氫化物取向因子之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，探尋滿足氫化物取向的矯直工藝參數(shù)，期望對(duì)國內(nèi)開展相關(guān)工作提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為再結(jié)晶退火態(tài)Zr-Sn-Nb系合金包殼管(化學(xué)成分為:Sn 0.75%～1.05%，Nb 0.70%～0.82%，F(xiàn)e 0.21%～0.42%，Zr 余量，質(zhì)量分?jǐn)?shù))，直徑為10 mm，直線度≤1 mm/m。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

輥縫值、彎曲量及矯直輥角度作為鋯合金管材矯直中的重要參數(shù)，對(duì)管材直線度、外徑橢圓度、氫化物取向及表面質(zhì)量都有重要影響。因此采用6輥精密管材矯直機(jī)分別進(jìn)行不同輥縫值、彎曲量及矯直輥角度的Zr-Sn-Nb系合金成品管材矯直實(shí)驗(yàn)。

輥縫實(shí)驗(yàn)設(shè)置6組不同輥縫值，對(duì)相同批次Zr-Sn-Nb系合金成品管材進(jìn)行矯直。中間矯直輥輥縫值分別為9.7、9.8、9.9、10.0、10.3、10.5 mm，其他各輥的輥縫值設(shè)置為10.5 mm，矯直輥角度設(shè)定為31.5°，中間矯直輥彎曲量設(shè)置為3.0 mm，其余矯直輥彎曲量為0 mm。

彎曲實(shí)驗(yàn)設(shè)置6組不同的彎曲量，對(duì)相同批次Zr-Sn-Nb系合金成品管材進(jìn)行矯直。中間矯直輥彎曲量分別設(shè)定為2.6、3.0、3.4、3.8、4.2、4.7 mm，其余矯直輥彎曲量為0 mm，各矯直輥的輥縫值為10.5 mm，矯直輥角度為31.5°。

按照矯直設(shè)備的角度調(diào)整范圍設(shè)置5組不同角度的矯直參數(shù)，對(duì)相同批次Zr-Sn-Nb系合金成品管材進(jìn)行矯直。各矯直輥角度保持一致且依次為33.5°、32.5°、31.5°、30.5°、29.5°。各組矯直輥輥縫值為10.5 mm，中間矯直輥彎曲量為3.0 mm，其余矯直輥彎曲量為0 mm。

從矯直后的Zr-Sn-Nb系合金管材上截取100 mm的長試樣和30 mm的短試樣。采用X射線衍射技術(shù)檢測(cè)長試樣近表層所受殘余應(yīng)力。短試樣放置在盛有LiOH水溶液(濃度為1 mol/L)的高壓釜中進(jìn)行滲氫處理，溫度為360 ℃，壓力18.6 MPa，保溫時(shí)間5 h。滲氫試樣經(jīng)處理后，采用金相顯微鏡觀察其氫化物取向，同時(shí)使用專用軟件對(duì)氫化物取向因子進(jìn)行評(píng)級(jí)。為避免實(shí)驗(yàn)過程中管材外表面殘余應(yīng)力對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，在檢測(cè)前使用5%HF+45%HNO3+50%H2O(體積分?jǐn)?shù))的混合酸液對(duì)長試樣和短試樣酸洗10 s左右。酸洗后試樣外徑尺寸基本無變化。

2 結(jié)果與討論

2.1 輥縫值對(duì)氫化物取向的影響

表1為不同輥縫值參數(shù)下矯直后Zr-Sn-Nb系合金管材的氫化物取向因子。從表1可以看出，隨著輥縫值的增大，Zr-Sn-Nb系合金管材外層氫化物取向因子逐漸減小。當(dāng)輥縫值小于管材外徑尺寸(φ10 mm)時(shí)，管材通過矯直機(jī)時(shí)受到中間矯直輥上輥和下輥外力的作用，輥縫值為9.7 mm時(shí)，管材中層氫化物取向因子為0.26，外層氫化物取向因子高達(dá)0.78；當(dāng)輥縫值大于管材外徑時(shí)，中間矯直輥上輥對(duì)管材不產(chǎn)生外力作用，管材在矯直機(jī)中以純彎曲矯

表1不同輥縫值下管材的氫化物取向因子

Table 1 Hydride orientation factors of tubes straightened under different roll gap

直方式矯直，此時(shí)氫化物取向因子≤0.22。由于在鋯合金包殼管批量生產(chǎn)中，退火后管材直線度存在一定程度的差異，導(dǎo)致相同參數(shù)矯直后管材的氫化物取向因子仍存在一定程度的波動(dòng)，因此為保證管材氫化物性能滿足技術(shù)要求(Fn40°≤0.5)，Zr-Sn-Nb系合金管材氫化物取向因子應(yīng)內(nèi)控在≤0.3的范圍內(nèi)。鑒于此，需采用純彎曲矯直方式對(duì)Zr-Sn-Nb系合金包殼管成品進(jìn)行矯直。

圖1 未矯直管材及不同輥縫值下管材的氫化物分布照片F(xiàn)ig.1 Distribution of hydride orientation of tubes without straightening and straightened under different roll gaps: (a)unstraightened；(b)9.7 mm；(c)10.0 mm；(d)10.5 mm

圖2為不同輥縫值實(shí)驗(yàn)條件下矯直后Zr-Sn-Nb系合金管材近表層殘余應(yīng)力分布。為對(duì)比說明矯直后管材殘余應(yīng)力的變化情況，對(duì)再結(jié)晶退火態(tài)且未矯直管材取樣進(jìn)行殘余應(yīng)力分析，結(jié)果顯示其近表層殘余應(yīng)力接近零。說明在完全再結(jié)晶狀態(tài)下，管材殘余應(yīng)力的變化主要由矯直引起，這一結(jié)果和表1中氫化物取向因子檢測(cè)結(jié)果一致。當(dāng)輥縫值小于管材外徑尺寸時(shí)，中間矯直輥上輥和下輥對(duì)管材存在擠壓作用，促使管材表層應(yīng)力增大，影響氫化物取向分布。當(dāng)輥縫值為9.7 mm時(shí)，Zr-Sn-Nb系合金管材近表層正應(yīng)力為194.6 MPa，切應(yīng)力為147.0 MPa，結(jié)合正應(yīng)力和切應(yīng)力方向，得出管材矯直加工過程中表層受拉應(yīng)力作用，這與實(shí)際管材矯直時(shí)外層受拉應(yīng)力、內(nèi)層受壓應(yīng)力的結(jié)果一致[11]；當(dāng)輥縫值≥10.0 mm時(shí)，管材近表層正應(yīng)力≤30.1 MPa，切應(yīng)力≤24.2 MPa。

圖2 輥縫值對(duì)管材殘余應(yīng)力的影響Fig.2 Influence of roll gap value on residual stress of tubes

2.2 彎曲量對(duì)氫化物取向的影響

表2為不同彎曲量下Zr-Sn-Nb系合金管材的氫化物取向因子。從表2可以看出，彎曲量≤4.2 mm時(shí)，管材內(nèi)層、中層及外層氫化物取向因子均較為穩(wěn)定，而當(dāng)彎曲量為4.7 mm時(shí)，外層氫化物取向因子為0.40，接近技術(shù)條件要求的最大值(0.5)。

表2不同彎曲量下管材的氫化物取向因子

Table 2 Hydride orientation factors of tubes straightened under different bending amounts

圖3為不同彎曲量矯直參數(shù)下Zr-Sn-Nb系合金管材的氫化物分布照片。從圖3可以看出，彎曲量為2.6、3.0、3.8 mm時(shí)管材氫化物呈周向或接近周向分布，與圖1a再結(jié)晶退火且未矯直狀態(tài)下氫化物分布相比變化不大；彎曲量為4.7 mm時(shí)外層氫化物取向呈雜亂分布，呈徑向或接近徑向分布的氫化物較多。

圖3 不同彎曲量下管材的氫化物分布照片F(xiàn)ig.3 Distribution of hydride orientation of tubes straightened under different bending amounts:(a)2.6 mm；(b)3.0 mm；(c)3.8 mm；(d)4.7 mm

圖4為不同彎曲量參數(shù)下Zr-Sn-Nb系合金管材近表層的殘余應(yīng)力分布。從圖4可以得出，彎曲量≤4.2 mm時(shí)，管材近表層正應(yīng)力≤33.5 MPa，切應(yīng)力≤37.8 MPa。此時(shí)氫化物取向因子不超過0.14，氫化物呈周向或接近周向分布，說明彎曲量較小時(shí)，管材近表層所受拉應(yīng)力不足以導(dǎo)致氫化物取向發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)。彎曲量為4.7 mm時(shí)，管材近表層正應(yīng)力為89.6 MPa，切應(yīng)力為77.3 MPa。此時(shí)氫化物分布顯示外層氫化物取向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，說明在此彎曲量下，管材所受拉應(yīng)力導(dǎo)致氫化物取向發(fā)生明顯轉(zhuǎn)變，由原來的周向轉(zhuǎn)變?yōu)閺较蚧蚪咏鼜较颉?/p>

圖4 彎曲量對(duì)管材殘余應(yīng)力的影響Fig.4 Influence of bending amount on residual stress of tubes

2.3 矯直輥角度對(duì)氫化物取向的影響

表3為不同矯直輥角度下Zr-Sn-Nb系合金管材的氫化物取向因子。矯直輥角度在31.5°～33.5°之間時(shí)，氫化物取向因子≤0.23，滿足技術(shù)條件要求；當(dāng)矯直輥角度在29.5°～31.5°之間時(shí)，外層氫化物取向因子為0.70，尤其當(dāng)矯直輥角度為30.5°時(shí)，管材內(nèi)、中、外層氫化物取向因子均>0.60，嚴(yán)重超出技術(shù)條件要求。

表3不同矯直輥角度下管材的氫化物取向因子

Table 3 Hydride orientation factors of tubes straightened under different straightening roller angles

圖5為不同矯直輥角度下Zr-Sn-Nb系合金管材的氫化物分布照片。從圖5可以看出，矯直輥角度對(duì)氫化物取向的影響很大，當(dāng)矯直輥角度為32.5°和31.5°時(shí)，氫化物呈周向或接近周向分布，未發(fā)生偏轉(zhuǎn)；當(dāng)矯直輥角度為29.5°時(shí)，氫化物取向發(fā)生很大程度的偏轉(zhuǎn)，外層及部分中層氫化物由周向轉(zhuǎn)變?yōu)閺较蚍植迹划?dāng)矯直輥角度為30.5°時(shí)，管材內(nèi)、中、外層氫化物均發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)，由周向轉(zhuǎn)變?yōu)閺较蚍植肌?/p>

圖5 不同矯直輥角度下管材的氫化物分布照片F(xiàn)ig.5 Distribution of hydride orientation of tubes straightened under different roller angles:(a)32.5°；(b)31.5°；(c)30.5°；(d)29.5°

圖6為不同矯直輥角度參數(shù)下Zr-Sn-Nb系合金管材近表層的殘余應(yīng)力分布。矯直輥角度較小時(shí)，管材在靠近輥肩位置與矯直輥接觸，接觸面積較小，致使單位面積管材所受拉應(yīng)力較大，且管材外表面產(chǎn)生嚴(yán)重的螺旋棱現(xiàn)象，無法通過后續(xù)的拋光處理消除；矯直輥角度較大時(shí)，管材在矯直輥輥腰附近位置與其接觸，接觸面積較大，單位面積管材所受應(yīng)力較小。當(dāng)矯直輥角度為30.5°時(shí)，管材近表層所受正應(yīng)力達(dá)到271.7 MPa，切應(yīng)力達(dá)到203 MPa；結(jié)合圖5c分析，矯直輥角度對(duì)殘余應(yīng)力的影響不僅僅表現(xiàn)在近表層，還可能導(dǎo)致管材內(nèi)層和中層產(chǎn)生較大殘余應(yīng)力，致使管材整個(gè)壁厚截面上氫化物取向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。而當(dāng)矯直輥角度為31.5°時(shí)，管材近表層所受正應(yīng)力為35.6 MPa，切應(yīng)力為29.1 MPa。由此可見，對(duì)于Zr-Sn-Nb系合金包殼管產(chǎn)品質(zhì)量而言，成品矯直中矯直輥角度的控制十分關(guān)鍵。

圖6 矯直輥角度對(duì)管材殘余應(yīng)力的影響Fig.6 Influence of straightening roller angle on residual stress of tubes

3 結(jié) 論

(1)輥縫值、彎曲量和矯直輥角度等矯直工藝參數(shù)直接影響Zr-Sn-Nb系合金管材內(nèi)部的殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力與氫化物取向之間存在密切聯(lián)系。

(2)當(dāng)輥縫值≥10 mm，彎曲量≤4.2 mm，矯直輥角度在31.5°～33.5°之間時(shí)，Zr-Sn-Nb系合金管材殘余正應(yīng)力≤35.6 MPa，切應(yīng)力≤37.8 MPa，此時(shí)氫化物取向呈周向或接近周向，氫化物取向因子滿足技術(shù)要求。

(3)為保證Zr-Sn-Nb系合金包殼管氫化物取向因子滿足技術(shù)條件要求，生產(chǎn)過程需采用純彎曲方式進(jìn)行矯直。