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锆合金的加工方式

2019-11-27

  锆和锆合金塑性好,可制成管材、板材、棒材和丝材,其中管材为主要产品。锆和锆合金的加工工艺取决于锆的基本性质和核反应堆对锆构件的特殊要求。锆的基本性质是:易被氧、氮、氢等污染,易粘模具,有同质异晶转变。核反应堆对锆构件的要求是尺寸精度高,显微组织要求严格,性能稳定。使用较广的无缝锆管加工的主要工序为:配制自耗电极、熔铸、锻造、热挤(管坯)、冷加工、精整。
  真空自耗电弧熔炼法是锆和锆合金工业生产的较普遍的方法。采用正确的加入合金元素的方法,合适的新旧料搭配比例和合理的熔铸制度,才能得到高质量的铸锭。
  铸锭开坯一般在β相区进行,这既有利于变形,又减少了合金元素的偏聚。二次锻造温度比开坯温度低,纯锆和Zr-2合金在α相区的高温区进行锻造,Zr-2.5Nb在(α+β)相区进行锻造。终锻温度不得低于700℃。热轧温度和二次锻造温度相近,挤压温度更低一些。为防止氧化和粘模,坯料在挤压前要包铜,或加玻璃涂层。纯锆在液氮温度下仍有良好塑性。室温轧板时两次退火间的冷加工量可达40%或更高。成品前的冷加工制度,对锆锡合金管材的质量和性能有重要影响。为获得综合性能好的管材,成品前冷轧的总压缩率应达50%以上。
  常温下呈密排六方结构的α-Zr在冷变形加工中易形成织构。锆管的织构对其强度、蠕变性能、氢化物取向、辐照生长等有重要影响。反应堆中使用的Zr-4合金包壳管,通常要求近径向基极织构(即六方点阵的C轴基本上平行于管子的直径)。一般较终冷加工工序的壁厚减薄率与直径收缩率之比大于1时易得到这种织构取向。而在Zr-2.5Nb压力管的生产中是通过控制挤压工艺参数和挤压坯组织以控制织构的。Zr-2.5Nb合金中片状氢化物呈随意取向,控制压力管加工艺,则可使片状氢化物呈切向分布,获得所需的织构。冷加工材经再结晶退火(约650℃)后织构发生变化,氢化物取向也变得混乱(见择优取向)。
  冷加工材的退火必须在真空炉中进行,真空度应高于10-4托。中间退火温度约700℃。成品退火根据性能要求确定。对燃料包壳管的表面要求很严格,一般需酸洗。酸洗液是氢氟酸和硝酸的水溶液。酸洗后一定要彻底除去制件表面的氟离子,否则会降低材料的耐蚀性能。成品管必须矫直。如果矫直工艺不合适,将会造成力学性能不均匀、爆破延性低和氢化物取向不利。


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