轧制车速与送进量的织构节律调控：锆合金管材成品轧制过程中变形路径分岔对基极织构径向偏转的熵调控及退火后氢化物取向相干性的工艺-织构-性能三角相图构建

引言

锆合金不仅热中子吸收截面小，而且导热率高、机械性能好,又具有良好的加工性能以及同UO2良好的相容性,尤其是对高温高压水和蒸汽也具有良好的抗腐蚀性能,在堆内有相当好的抗中子辐照性能,因而被广泛用作核动力水冷反应堆的包壳材料和结构材料。随着核电的快速发展,对锆合金材料的性能提出了更高要求。近年来,我国开发出了多种Zr-Sn-Nb系高性能锆合金材料,并开展了管材、板带材等型材的制备工艺研究。

锆合金管材的主要制备流程包括:铸锭熔炼→铸锭锻造→β相淬火→热挤压→多道次轧制及退火[1]。其中,成品轧制是锆合金管材制备过程中的重要工序,主要包括轧制变形量、轧制速度和送进量等参数,决定着成品管材的组织与性能。锆合金是密排六方晶体结构金属,存在各向异性且具有较少的滑移系统,在轧制过程中不可避免会产生织构,织构的存在会影响锆合金的诸多性能,如氢化物取向、力学性能、辐照生长、应力腐蚀开裂、腐蚀性能等[2]。相关研究表明氢化物的析出与织构有密切关系[3],切向织构会导致氢化物沿锆合金管材径向析出分布,引起氢脆的发生,进而影响反应堆的运行安全。

成品轧制和退火控制着锆合金成品管材的显微组织、织构和氢化物取向,进而影响材料的服役性能。因此有必要针对特定成分的锆合金管材,根据其加工性能制定合适的成品轧制和退火工艺参数。本文针对自主新型锆合金,通过设置不同的成品轧制工艺参数,制备出不同工艺的锆合金管材,并对其微观组织和力学性能进行研究,分析成品轧制和退火对微观组织和力学性能的影响,为优化锆合金管材的加工工艺提供参考。

1、试验材料与方法

1.1材料

本研究中使用的Zr-Sn-Nb锆合金管材名义成分为:Zr-0.25%Sn-1.25%Nb-0.10%Fe-0.05%V(百分数表示质量分数)。采用3次真空自耗熔炼后得到1000kg级铸锭,然后经β相区锻造和均匀化处理获得原始棒坯,再经过挤压和多道次轧制及中间退火,最终经过成品轧制后获得不同工艺的管材,如表1所示。4种工艺参数制备的锆合金管材内外表面均无缺陷,质量良好。本文引入参数Q(管壁变形量与直径变形量的比值)表征轧制工艺与织构的对应关系,Q值越高,所产生的织构的基极越接近于径向,进而形成呈切向分布的氢化物,这对防止锆合金氢脆是有利的。

式中,R_w为管壁变形量;R_D为直径变形量。

1.2试验方法

(1)对上述管材试样的横截面(如图1所示的RD-TD面)进行机械磨抛和化学抛光,之后利用扫描电镜配置的电子背散射衍射(EBSD)系统对不同工艺管材的EBSD数据进行采集,并利用Channel 5软件对数据进行处理。

(2)根据GB/T 228.1《金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法》和GB/T 228.2《金属材料拉伸试验第2部分:高温试验方法》,利用万能材料试验机开展管材试样室温和315℃下的拉伸性能测试,获得力学性能数据。

2、结果与讨论

2.1微观组织

表1锆合金管材成品轧制工艺参数

表2锆合金管材织构取向因子

3、结论

本文以自主新型锆合金为研究对象，对不同成品轧制工艺参数制备的锆合金管材退火前后的微观组织和拉伸性能进行了研究，得到的主要结论如下:

(1)锆合金管材成品轧制时的Q值决定了织构取向，Q值越大，径向织构取向因子越大，有利于氢化物沿周向析出分布。

(2)不同成品轧制工艺参数制备的锆合金管材经再结晶退火后，室温拉伸性能相当，315℃高温拉伸性能存在差别，主要与管材的晶界类型、滑移系数量等有关。

(3)成品轧制时的轧制速度和送进量会影响管材的织构，但对管材的强度和塑性影响不大，为了获得较好的管材表面质量和尺寸精度通常选择较小的送进量。

参考文献:

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（注，原文标题：成品轧制和退火对锆合金管材微观组织及力学性能的影响_程竹青）