CN112662973B - 一种核反应堆燃料通道锆合金压力管的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种核反应堆燃料通道锆合金压力管的制造方法，该方法包括：一、将Zr‑2.5Nb合金铸锭加热锻造得到锻棒；二、将锻棒加工成定尺空心棒坯后加热保温，出炉水淬冷却得到淬火空心棒坯；三、淬火空心棒坯经机加润滑后加热保温，挤出得到挤压管坯；四、挤压管坯依次经校直、表面机加后冷轧得到冷轧管坯；五、冷轧管坯依次经校直、表面机加和脱脂酸洗，经消应力退火处理得到锆合金压力管。本发明通过对Zr‑2.5Nb合金铸锭加热锻造、空心棒坯加工、淬火、加热挤压、冷轧和退火的控制，提高了锆合金压力管的组织及性能的均匀一致性，保证了管材的织构，同时提高了锆合金压力管的尺寸均匀性精度，使其适用于核反应堆燃料通道。

Description

一种核反应堆燃料通道锆合金压力管的制造方法

技术领域

本发明属于金属材料制备领域，具体涉及一种核反应堆燃料通道锆合金压力管的制造方法。

背景技术

金属锆因具有优异的核性能，被用作原子能反应堆的核燃材料包壳材料和堆芯其他结构材料，在水冷堆中几乎是不可替代的，因而被誉为“原子时代的第一金属”，也是受到控制的战略材料。因为锆合金材料在苛刻的条件下服役，出于核安全的考虑，对材料的性能及质量要求极高，所以锆合金加工业是技术密集型的高科技产业。

目前，核工程上应用和发展的锆合金主要分为Zr-Sn系、Zr-Nb系以及Zr-Sn-Nb系，诸如，Zr-4、E110、E635、M5、ZIRLO、N36、N18等都为燃料包壳用合金，为单α-Zr相合金。除此之外，Zr-Nb系中的Zr-2.5Nb合金(俄罗斯E125)还被用于RBMK堆和重水堆燃料通道压力管。重水堆冷却剂温度约为300℃，在此工况下，Zr-2.5Nb合金的抗腐蚀性能比Zr-2合金差，但在允许范围内；二者热中子吸收截面相当；而Zr-2.5Nb合金的抗拉强度、蠕变抗力却比Zr-2合金优越的多。鉴于Zr-2.5Nb合金良好的高温性能，俄罗斯RBMK以及加拿大CANDU堆燃料通道压力管主要用Zr-2.5Nb合金。

燃料包壳经多道次冷轧和退火之后形成大多数晶粒的基面法向接近于径向的取向，以保证其服役性能。而Zr-2.5Nb合金因为其长达30年的设计寿命要求，需要形成大多数晶粒的基面法线接近于切向的取向，是保证其抗辐照蠕变和辐照生长的关键。然而，与普通燃料包壳用单α相锆合金不同的是，Zr-2.5Nb为α+β双相锆合金，其稳定的室温结构应为α-Zr+β-Nb，其加工变形机制与普通燃料包壳用锆合金相差较大，因此组织结构控制是核反应堆燃料通道压力管制造过程中的控制难点。国内尚无重水堆压力管的成熟制备工艺。

据调研，国外重水堆压力管制造工艺包括锻造、β淬火、挤压、冷拉拔、预膜处理等工序。该工艺中冷拉拔分两道次，道次间需要进行润滑和表面处理，冷加工工序复杂，同时需要着重控制H含量，以避免使用中发生氢脆。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供了一种核反应堆燃料通道锆合金压力管的制造方法。本发明通过对Zr-2.5Nb合金铸锭加热锻造、空心棒坯加工、淬火、加热挤压、冷轧和退火的控制制备锆合金压力管，有效提高了锆合金压力管的组织及性能的均匀一致性，保证了管材的织构，同时提高了锆合金压力管的尺寸均匀性和尺寸精度。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种核反应堆燃料通道锆合金压力管的制造方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、将Zr-2.5Nb合金铸锭加热至850℃～1100℃进行1～3火次锻造，得到锻棒；所述锻棒的直径为200mm～260mm；

步骤二、将步骤一中得到的锻棒加工成定尺空心棒坯，然后加热至930℃～1100℃后并保温，然后出炉水淬冷却至室温，得到淬火空心棒坯；

步骤三、将步骤二中得到的淬火空心棒坯依次经机加、润滑后加热至780℃～880℃并保温，然后以8～19的挤压比挤出，得到挤压管坯；

步骤四、将步骤三中得到的挤压管坯依次进行校直、表面机加后进行冷轧，得到冷轧管坯；

步骤五、将步骤四中得到的冷轧管坯依次进行校直、表面机加和脱脂酸洗，然后进行消应力退火处理，得到锆合金压力管。

由于Zr-2.5Nb合金压力管服役寿命要求高，工况复杂，对管材的组织结构及尺寸要求高，所以加工过程中应着重控制组织均匀性、织构和尺寸精度。本发明通过大量前期的研究实验发现，Zr-2.5Nb合金压力管的组织均匀性受锻造、淬火、挤压、冷加工控制，其中锻造工艺参数、淬火工艺参数及方式、挤压工艺参数、冷加工方式是控制关键；Zr-2.5Nb合金压力管的织构受控于挤压和冷加工，其中挤压工艺参数、冷加工工艺参数是控制关键；Zr-2.5Nb合金压力管的管材尺寸精度主要受控于冷加工，其中冷加工方式是控制关键。在此研究基础上，本发明将Zr-2.5Nb合金铸锭依次经加热锻造、空心棒坯加工、淬火、加热挤压、冷轧和退火，制备得到锆合金压力管。

首先，从锻造、淬火、挤压、冷加工四个方面结合对Zr-2.5Nb合金压力管的组织均匀性进行控制：(1)由于Zr-2.5Nb合金中的H、Cl杂质要求较高，其铸锭熔炼工艺的选择会偏重于杂质去除，得到的铸态组织要比一般包壳用锆合金铸锭要粗大一些，因此，本发明利用大锻造比工艺，在850℃～1100℃范围内锻造，有效破碎了铸态组织，保证铸锭锻造的锻透性，以利于组织均匀化；(2)锆合金中含有难溶于α-Zr的合金元素，在锻造锻后冷却过程中会有第二相颗粒析出，严重影响其腐蚀性能和力学性能，因此，本发明将锻棒加工后加热至β相区即930℃～1100℃，以完全溶解析出相，结合采用水淬冷却的方式，抑制第二相的析出；而淬火加热过程中，锻件截面范围内受热并不均匀，表面先于内部达到预定温度，导致外表面β晶粒长大程度要高于内表面在水淬冷却过程中，同时锻件截面范围内冷却速度也不一致，表面冷却速度要快于内部，由于β→α转变的组织结构对冷却速度非常敏感，导致表面淬火α′相组织要粗于内部，甚至会形成不同的物相结构，锻件的截面越大，淬火引起的组织差异越大，因此本发明采用将锻棒加工成定尺空心棒坯淬火的方式，改善了棒坯截面受热和冷却差异，保证了淬火空心棒坯的组织均匀性；(3)相比于锆合金包壳管用挤压管坯，Zr-2.5Nb合金压力管用挤压管坯属于大口径薄壁管，挤压模具、芯棒以及挤压筒的吸热作用明显，容易造成挤压管坯头部和尾部挤压温度相差较大，使得挤压管坯头尾组织形成明显差异，进而影响头尾性能均一性，因此，本发明通过控制挤压温度以及挤压比，减轻挤压过程中管坯头尾的温度差异，促进管坯头尾的组织均匀性；(4)传统的Zr-2.5Nb合金压力管的加工采用拉拔法，然而由于压力管内径较大壁厚薄，长芯杆拉拔、顶管法等高精度管材拉拔方法由于芯杆自重问题难以保证管材与模具的间隙稳定性，导致管材圆周方向塑性流动方向无法完全一致，进而会影响管材周向组织的均匀性，因此，本发明采用冷轧法代替拉拔，克服了上述技术难题，提高了管材组织均匀性。

其次，通过挤压和冷轧加工控制Zr-2.5Nb合金压力管的织构，使其晶粒的基面法线主要取向为管材周向：(1)Zr-2.5Nb为α+β双相合金，室温状态下α与β相比例为9:1，以柱面滑移为主，本发明通过控制挤压温度为780℃～880℃，使得Zr-2.5Nb合金在其共析温度之上保温，得到α相含量占比20％～50％的双相组织，在此温度范围内发挥初生α相锥面(a+c)滑移、α/β晶界滑移、β相织构、应力致α→β相转变等因素的综合作用，再结合8～19的挤压比挤出，实现了对Zr-2.5Nb合金压力管的织构的有效控制，保证获得晶粒基面法线主要取向为管材周向的织构；(2)本发明通过控制冷轧加工过程，尤其是总变形量和对应的减壁减径比Q值，进一步保证了对Zr-2.5Nb合金压力管的织构的有效控制。

另外，本发明采用冷轧加工替代拉拔工艺，由于对于大尺寸薄壁管，冷轧加工的轧辊孔型与芯棒之间的空隙控制优于拉拔，大大提高了Zr-2.5Nb合金压力管的尺寸精度。同时，传统的Zr-2.5Nb合金压力管加工方法采用两道次拉拔分别以10％～15％的变形量进行拉拔，道次间需要对管材进行表面处理和润滑，工艺繁琐，过程冗长，而轧制通常需要一道次加工，省略了道次间的辅助工序，从而有效降低了辅助工序的工作量。同时，轧制管材表面质量控制比拉拔管材容易，所以轧制管表面机加量要小于拉拔管，再加之轧制道次要少于拉拔，减少了表面机加次数，因而在一定程度上轧制管坯精整时造成的材料损失要少于拉拔，充分说明了采用冷轧替代拉拔可以提高材料的利用率。

上述的一种核反应堆燃料通道锆合金压力管的制造方法，其特征在于，步骤一中所述Zr-2.5Nb合金铸锭锻造前先加热至850℃～1100℃保温1h～4h，然后进行1～3火次锻造，且每火次锻造比为2～6。更优选地，控制中第1火次的锻造比为4～6。锆合金铸锭铸态组织粗大，还存在不同形式的成分偏析，优选在850℃～1100℃的高(α+β)相区～单β相区范围内加热保温，实现了均匀化的作用；常规锆合金铸锭锻造比较小，本发明将锻造比控制在2～6，尤其是控制第1火次的锻造比为4～6，保证了铸锭得以充分锻透，实现锆合金铸锭芯部铸态组织的充分破碎，利于锻造组织和成分的均匀化。

上述的一种核反应堆燃料通道锆合金压力管的制造方法，其特征在于，步骤二中所述定尺空心棒坯的加工方法为钻镗孔、套料、线切割掏孔和扩孔中的一种或多种。更优选地，定尺空心棒坯的加工方法为先线切割或钻镗孔然后再扩孔的方法，该方式进一步提高了淬火空心棒坯的利用率，减少了材料浪费。

上述的一种核反应堆燃料通道锆合金压力管的制造方法，其特征在于，步骤二中所述加热的温度为950℃～1050℃，所述加热采用电阻炉加热或感应加热，且电阻炉加热的保温时间为30min～90min，感应加热的保温时间为5min～20min，出炉的转移时间不超过60s。核反应堆燃料通道锆合金压力管要求严格控制氢含量，而锆合金在高温含水环境下容易吸氢，采用定尺空心棒坯淬火，显著减少了高温下的加热时间，降低吸氢风险；一般情况下，Zr-2.5Nb合金中铌的质量含量为2.4％～2.8％，氧的质量含量为0.09％～0.15％，铁的质量含量不高于0.12％，使得其α→β完全转变温度约为910℃～930℃，加热至930℃～1100℃的单β相区内并保温有效溶解了锻造及定尺空心棒坯的加工过程中形成的富铌第二相，达到固溶处理以及消除锻造织构的目的，但是温度过高会引起晶粒长大；在锆合金β淬火时严格控制出炉转移时间，出炉转移时间越长定尺空心棒坯温度损失越严重，甚至会使得定尺空心棒坯温度降低至(α+β)双相区，难以保证获得完全固溶的组织，本发明限定出炉转移时间不超过60s减少了温度损失，保证了淬火空心棒坯为完全固溶的组织。而优选加热保温温度为950℃～1050℃，并严格控制转移时间低于60s，即可以保证空心棒坯获得完全固溶的淬火组织，又能避免单β相区内晶粒增长过大以及锭坯氧化造成的材料损耗。

上述的一种核反应堆燃料通道锆合金压力管的制造方法，其特征在于，步骤三中所述挤压速度为3mm/s～25mm/s。燃料通道用锆合金压力管的内径通常约为80mm～105mm，其对应挤压管坯所用的挤压针直径较大，在挤压过程中吸热严重，因此，本发明将挤压速度控制在3mm/s～25mm/s之间，避免了挤压速度过慢导致挤压管坯头尾温度差异大，进而形成管材头尾组织、性能差别过大的问题，同时避免了挤压速度过快导致温升严重、挤压精度降低、挤压力增大等问题。

上述的一种核反应堆燃料通道锆合金压力管的制造方法，其特征在于，步骤三中所述加热采用电阻炉加热或/和感应加热，且电阻炉加热的保温时间为30min～90min，感应加热的保温时间为10min～20min，电阻炉加热和感应加热共同作用的过程为：先采用感应加热至780℃～880℃保温3min～10min，然后采用电阻炉继续在780℃～880℃下保温10min～30min。优选采用电阻炉加热的方式较为常见，容易实现；而优选采用感应加热或者电阻炉加热和感应共同加热，有效缩短了高温加热时间，减少了Zr-2.5Nb合金在高温下的吸氢，提高了锆合金压力管的使用性能。

上述的一种核反应堆燃料通道锆合金压力管的制造方法，其特征在于，步骤四中所述冷轧的总变形量为20％～60％，对应的减壁减径比Q值为0.5～3.5。相比国外采用两道次拉拔方式，本发明采用轧机尤其是皮尔格轧机进行冷轧加工挤压管坯，简化了工艺流程，显著提高了生产效率。

上述的一种核反应堆燃料通道锆合金压力管的制造方法，其特征在于，步骤四所述冷轧的总变形量为20％～40％，对应的减壁减径比Q值为0.5～1.5。优选总变形量为20％～40％，既可以保证管材的强度，又可以只通过一道次轧制完成，优选的减壁减径比Q值0.5～1.5则保证了锆合金压力管的组织为切向织构，有利于提高锆合金压力管服役期间的蠕变性能。进一步地，当冷轧的轧制总变形量大于40％且不超过60％时，则需要两道次轧制及一次中间退火，增加了加工流程和工作量。

上述的一种核反应堆燃料通道锆合金压力管的制造方法，其特征在于，步骤五中所述消应力退火处理的气氛环境为真空或水蒸气，所述消应力退火处理的温度为300℃～500℃，时间为24h～72h。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明通过对Zr-2.5Nb合金铸锭加热锻造、空心棒坯加工、淬火、加热挤压、冷轧和退火的控制制备锆合金压力管，有效提高了锆合金压力管的组织及性能的均匀一致性，保证了管材的织构，同时提高了锆合金压力管的尺寸均匀性和尺寸精度。

2、本发明采用大锻造比进行铸锭开坯锻造，提高了Zr-2.5Nb合金铸锭的锻透性，从而充分破碎铸锭芯部组织，使得棒坯内外部组织一致性较好，有利于提高锆合金压力管的组织及性能的一致性。

3、本发明采用空心棒坯β淬火方法，使得锻造过程析出的第二相颗粒完全溶解，消除了锻造过程形成的织构，同时提高淬透性保证了棒坯内外组织一致性。

4、本发明在高(α+β)相区内采用大挤压比、中高速挤压，在提升管材头尾组织一致性的同时，也保证了管材的织构。

5、本发明采用感应方式加热，有效较少了锆合金在高温下的暴露时间，降低了吸氢量，避免了锆合金压力管使用过程中发生氢脆。

6、本发明采用冷轧替代传统方法中的冷拉拔，提高了冷加工加工效率、材料利用率、尺寸精度，保证了组织和性能的均匀性。

下面通过实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。

具体实施方式

用于核反应堆燃料通道锆合金压力管的Zr-2.5Nb铸锭中Nb的质量含量为2.4％～2.8％，O的质量含量为0.09％～0.15％，Fe的质量含量不高于0.12％，其余为不可避免的杂质。本实施例1～8和对比例1中的Zr-2.5Nb铸锭均满足上述成分及含量要求。

实施例1

本实施例包括以下步骤：

步骤一、将Zr-2.5Nb合金铸锭加热至1100℃保温210min，然后采用镦拔工艺进行第1火次锻造，锻造比为5.8，得到直径为350mm的1火次锻造棒坯，将1火次锻造棒坯修磨后加热至1000℃保温120min，再进行第2火次锻造，且锻造比为2.3，得到直径230mm的锻棒；

步骤二、将步骤一中得到的锻棒打磨、分切成段、粗车，然后再在粗车后的短棒圆心位置处线切割加工出直径45mm的孔，得到定尺空心棒坯，将定尺空心棒坯机加后用感应炉加热至800℃并保温20min，然后挤压扩孔，获得内孔扩大至120mm的空心棒坯；将空心棒坯采用感应炉加热至1100℃后并保温5min，然后在20s内完成出炉，再水淬冷却至室温，得到淬火空心棒坯；

步骤三、将步骤二中得到的淬火空心棒坯依次经机加、润滑后采用感应加热至780℃并保温3min，然后转移至电阻炉内继续在780℃保温10min，再以10.2的挤压比、15mm/s的挤压速度挤出，得到挤压管坯；

步骤四、将步骤三中得到的挤压管坯依次进行校直、表面机加后采用Pilger轧机进行冷轧，并控制减壁减径比Q值为0.7，得到冷轧管坯；所述冷轧的变形量为25％；

步骤五、将步骤四中得到的冷轧管坯依次进行校直、表面机加和脱脂酸洗，然后在真空气氛、400℃下进行消应力退火处理24h，得到锆合金压力管。

对比例1

本对比例包括以下步骤：

步骤一、将Zr-2.5Nb合金铸锭加热至1050℃保温250min，然后进行1火次锻造，锻造比为3.2，得到直径为400mm的1火次锻造棒坯，将1火次锻造棒坯修磨后加热至980℃保温120min，再进行第2火次锻造，且锻造比为3.6，得到直径210mm的锻棒；

步骤二、将步骤一中得到的锻棒打磨、分切成段、粗车，然后再在粗车后的短棒圆心位置处用套料刀掏出直径110mm的孔，得到定尺空心棒坯，将定尺空心棒坯机加后用电阻炉加热至1000℃并保温100min，然后在38s内完成出炉，再水淬冷却至室温，得到淬火空心棒坯；

步骤三、将步骤二中得到的淬火空心棒坯依次经表面机加、润滑后采用电阻炉加热至815℃并保温100min，然后以11的挤压比、5mm/s的挤压速度挤出，得到挤压管坯；

步骤四、将步骤三中得到的挤压管坯依次进行校直、表面机加后进行两道次拉拔，且每道次拉拔变形量为13％，得到冷拉拔管坯；

步骤五、将步骤四中得到的冷拉拔管坯依次进行校直、表面机加和脱脂酸洗，然后在400℃下进行消应力退火处理24h，得到锆合金压力管。

实施例2

本实施例包括以下步骤：

步骤一、将Zr-2.5Nb合金铸锭加热至850℃保温60min，然后采用先镦拔再拔长的工艺进行第1火次锻造，锻造比为5.9，得到直径为200mm的锻棒；

步骤二、将步骤一中得到的锻棒打磨、分切成段、粗车，然后再在粗车后的短棒圆心位置处镗刀加工出直径40mm的孔，得到预钻孔棒坯，将预钻孔棒坯机加后用感应炉加热至850℃并保温10min，然后挤压扩孔，获得内孔扩大至110mm的定尺空心棒坯；将空心棒坯采用电阻炉加热至950℃后并保温30min，然后在35s内完成出炉，再水淬冷却至室温，得到淬火空心棒坯；

步骤三、将步骤二中得到的淬火空心棒坯依次经表面机加、润滑后采用感应炉加热至880℃并保温10min，然后以8.2的挤压比、15mm/s的挤压速度挤出，得到挤压管坯；

步骤四、将步骤三中得到的挤压管坯依次进行校直、表面机加后进行冷轧，并控制减壁减径比Q值为0.5，得到冷轧管坯；所述冷轧的总变形量为30％；

步骤五、将步骤四中得到的冷轧管坯依次进行校直、表面机加和脱脂酸洗，然后在300℃下进行消应力退火处理72h，得到锆合金压力管。

实施例3

本实施例包括以下步骤：

步骤一、将Zr-2.5Nb合金铸锭加热至1050℃保温240min，然后采用镦拔工艺进行1火次开坯锻造，锻造比为4.2，得到直径为450mm的1火次锻造棒坯，将1火次锻造棒坯修磨后加热至950℃保温150min，再进行第2火次锻造锻造，且锻造比为2.3，得到直径300mm的2火次锻造棒坯，将2火次锻造棒坯修磨后加热至850℃并保温120min，且锻造比为2.3，得到直径200mm的锻棒；

步骤二、将步骤一中得到的锻棒打磨、分切成段、粗车，然后再在粗车后的短棒圆心位置处钻出直径100mm的孔，得到定尺空心棒坯，然后将定尺空心棒坯采用感应炉加热至950℃后并保温20min，然后在38s内完成出炉，水淬冷却至室温，得到淬火空心棒坯；

步骤三、将步骤二中得到的淬火空心棒坯依次经表面机加、润滑后采用感应炉加热至780℃并保温20min，然后以10.7的挤压比、20mm/s的挤压速度挤出，得到挤压管坯；

步骤四、将步骤三中得到的挤压管坯依次进行校直、表面机加后进行冷轧，并控制减壁减径比Q值为1.2，得到冷轧管坯；所述冷轧的总变形量为20％；

步骤五、将步骤四中得到的冷轧管坯依次进行校直、表面机加和脱脂酸洗，然后在400℃下进行真空消应力退火处理24h，得到锆合金压力管。

实施例4

本实施例包括以下步骤：

步骤一、将Zr-2.5Nb合金铸锭加热至1010℃保温210min，然后采用镦拔工艺进行1火次开坯锻造，锻造比为6，得到直径为400mm的1火次锻造棒坯，将1火次锻造棒坯修磨后加热至850℃并保温120min，再进行锻造，且锻造比为2.4，得到直径260mm的锻棒；

步骤二、将步骤一中得到的锻棒打磨、分切成段、粗车，然后再在粗车后的短棒圆心位置处线切割出直径60mm的孔，得到预钻孔棒坯，将预钻孔棒坯机加后用感应炉加热至800℃并保温10min，然后挤压扩孔，获得内孔扩大至125mm的定尺空心棒坯；将定尺空心棒坯在电阻炉内加热至1000℃并保温60min，然后在39s内完成出炉，再水淬冷却至室温，得到淬火空心棒坯；

步骤三、将步骤二中得到的淬火空心棒坯依次经表面机加、润滑后先用感应炉加热至880℃并保温8min后再用电阻炉在880℃保温30min，再以11.9的挤压比、3mm/s的挤压速度挤出，得到挤压管坯；

步骤四、将步骤三中得到的挤压管坯依次进行校直、表面机加后进行冷轧，并控制减壁减径比Q值为1.5，得到冷轧管坯；所述冷轧的单道次变形量为40％；

步骤五、将步骤四中得到的冷轧管坯依次进行校直、表面机加和脱脂酸洗，然后在500℃下进行消应力退火处理24h，得到锆合金压力管。

实施例5

本实施例包括以下步骤：

步骤一、将Zr-2.5Nb合金铸锭加热至1050℃保温150min，然后采用镦拔工艺进行1火次开坯锻造，锻造比为5.6，得到直径为350mm的1火次锻造棒坯，将1火次锻造棒坯修磨后加热至1000℃并保温120min，再进行锻造，且锻造比为2.4，得到直径260mm的锻棒；

步骤二、将步骤一中得到的锻棒打磨、分切成段、粗车，然后再在粗车后的短棒圆心位置处线切割出直径90mm的孔，得到定尺空心棒坯；将定尺空心棒坯在电阻炉内加热至1050℃并保温90min，然后在48s内完成出炉，再水淬冷却至室温，得到淬火空心棒坯；

步骤三、将步骤二中得到的淬火空心棒坯依次经表面机加、润滑后用电阻炉加热至800℃并保温30min，再以18.6的挤压比、14mm/s的挤压速度挤出，得到挤压管坯；

步骤四、将步骤三中得到的挤压管坯依次进行校直、表面机加后进行冷轧，首先进行变形量为40％的第1道次冷轧，第1道次冷轧的减壁减径比Q值为3.5，再在真空退火炉中升温至560℃并保温30min进行退火处理，然后进行变形量为20％的第2道次冷轧，第2道次冷轧的减壁减径比Q值为1.2，得到冷轧管坯；所述冷轧总变形量为60％；

步骤五、将步骤四中得到的冷轧管坯依次进行校直、表面机加和脱脂酸洗，然后在400℃下进行消应力退火处理24h，得到锆合金压力管。

实施例6

本实施例包括以下步骤：

步骤一、将Zr-2.5Nb合金铸锭加热至1080℃保温150min，然后采用镦拔工艺进行1火次开坯锻造，且锻造比为2，得到直径为400mm的1火次锻造棒坯，将1火次锻造棒坯修磨后加热至1050℃并保温120min，再进行锻造，且锻造比为2.4，得到直径260mm的锻棒；

步骤二、将步骤一中得到的锻棒打磨、分切成段、粗车，然后再在粗车后的短棒圆心位置处线切割出直径125mm的孔，得到定尺空心棒坯；将定尺空心棒坯在电阻炉内加热至980℃并保温30min，然后在36s内完成出炉，再水淬冷却至室温，得到淬火空心棒坯；

步骤三、将步骤二中得到的淬火空心棒坯依次经表面机加、润滑后先用感应炉加热至815℃并保温10min后再用电阻炉在815℃保温30min，再以10.2的挤压比、25mm/s的挤压速度挤出，得到挤压管坯；

步骤四、将步骤三中得到的挤压管坯依次进行校直、表面机加后进行冷轧，并控制减壁减径比Q值为0.8，得到冷轧管坯；所述冷轧的单道次变形量为40％；

步骤五、将步骤四中得到的冷轧管坯依次进行校直、表面机加和脱脂酸洗，然后取出部分样品在400℃水蒸气中进行消应力退火处理36h，得到锆合金压力管。

实施例7

本实施例包括以下步骤：

步骤一、将Zr-2.5Nb合金铸锭加热至1100℃保温180min，然后采用镦拔工艺进行1火次开坯锻造，且锻造比为5.6，得到直径为350mm的1火次锻造棒坯，将1火次锻造棒坯修磨后加热至1000℃并保温120min，再进行锻造，且锻造比为2.8，得到直径210mm的锻棒；

步骤二、将步骤一中得到的锻棒打磨、分切成段、粗车，然后再在粗车后的短棒圆心位置处线切割出直径110mm的孔，得到定尺空心棒坯；将定尺空心棒坯在电阻炉内加热至1100℃并保温60min，然后在56s内完成出炉，再水淬冷却至室温，得到淬火空心棒坯；

步骤三、将步骤二中得到的淬火空心棒坯依次经表面机加、润滑后用电阻炉加热至815℃并保温60min，再以10.8的挤压比、3mm/s的挤压速度挤出，得到挤压管坯；

步骤四、将步骤三中得到的挤压管坯依次进行校直、表面机加后进行冷轧，并控制减壁减径比Q值为0.8，得到冷轧管坯；所述冷轧的单道次变形量为25％；

步骤五、将步骤四中得到的冷轧管坯依次进行校直、表面机加和脱脂酸洗，然后在400℃下进行消应力退火处理24h，得到锆合金压力管。

实施例8

本实施例包括以下步骤：

步骤一、将Zr-2.5Nb合金铸锭加热至1030℃保温150min，然后采用镦拔工艺进行1火次开坯锻造，且锻造比为2.6，得到直径为400mm的1火次锻造棒坯，将1火次锻造棒坯修磨后加热至980℃并保温150min，再进行锻造，且锻造比为4，得到直径200mm的锻棒；

步骤二、将步骤一中得到的锻棒打磨、分切成段、粗车，然后再在切断后的短棒圆心位置处线切割出直径100mm的孔，得到定尺空心棒坯；将定尺空心棒坯在感应炉内加热至930℃并保温10min，然后在22s内完成出炉，再水淬冷却至室温，得到淬火空心棒坯；

步骤三、将步骤二中得到的淬火空心棒坯依次经表面机加、润滑后先用感应炉加热至840℃并保温90min，再以10.5的挤压比、10mm/s的挤压速度挤出，得到挤压管坯；

步骤四、将步骤三中得到的挤压管坯依次进行校直、表面机加后进行冷轧，并控制减壁减径比Q值为0.5，得到冷轧管坯；所述冷轧的单道次变形量为27％；

步骤五、将步骤四中得到的冷轧管坯依次进行校直、表面机加和脱脂酸洗，然后在400℃下进行消应力退火处理24h，得到锆合金压力管。

对本发明实施例1～实施例5和对比例1制造的锆合金压力管的管材尺寸、材料利用率以及性能进行检测，如果如表1所示。

表1

从表1可以看出，本发明实施例1～实施例5制造的锆合金压力管的管材尺寸精度要优于对比例1采用传统方法制备的锆合金压力管；本发明实施例1～实施例5制造锆合金压力管的材料利用率要远远高于对比例1采用的传统方法；本发明实施例1～实施例5制造的锆合金压力管的力学性能优于对比例1采用传统方法制备的锆合金压力管，且腐蚀性能与对比例1相当，说明本发明的方法提高了锆合金压力管的尺寸均匀性和尺寸精度，控制了晶粒尺寸，实现了组织的均匀化，提高锆合金压力管的力学性能，且保证了其腐蚀性能。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (7)

1.一种核反应堆燃料通道锆合金压力管的制造方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、将Zr-2.5Nb合金铸锭加热至850℃～1100℃进行1～3火次锻造，得到锻棒；所述锻棒的直径为200mm～260mm；所述Zr-2.5Nb合金铸锭锻造前先加热至850℃～1100℃保温1h～4h，然后进行1～3火次锻造，且每火次锻造比为2～6；

步骤二、将步骤一中得到的锻棒加工成定尺空心棒坯，然后加热至930℃～1100℃后并保温，出炉水淬冷却至室温，得到淬火空心棒坯；

步骤三、将步骤二中得到的淬火空心棒坯依次经机加、润滑后加热至780℃～880℃并保温，然后以8～19的挤压比挤出，得到挤压管坯；所述挤压速度为3mm/s～25mm/s；

步骤四、将步骤三中得到的挤压管坯依次进行校直、表面机加后进行冷轧，得到冷轧管坯；

步骤五、将步骤四中得到的冷轧管坯依次进行校直、表面机加和脱脂酸洗，然后进行消应力退火处理，得到锆合金压力管。

2.根据权利要求1所述的一种核反应堆燃料通道锆合金压力管的制造方法，其特征在于，步骤二中所述定尺空心棒坯的加工方法为钻镗孔、套料、线切割掏孔和扩孔中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的一种核反应堆燃料通道锆合金压力管的制造方法，其特征在于，步骤二中所述加热的温度为950℃～1050℃，所述加热采用电阻炉加热或感应加热，且电阻炉加热的保温时间为30min～90min，感应加热的保温时间为5min～20min，出炉的转移时间不超过60s。

4.根据权利要求1所述的一种核反应堆燃料通道锆合金压力管的制造方法，其特征在于，步骤三中所述加热采用电阻炉加热或/和感应加热，且电阻炉加热的保温时间为30min～90min，感应加热的保温时间为10min～20min，电阻炉加热和感应加热共同作用的过程为：先采用感应加热至780℃～880℃保温3min～10min，然后采用电阻炉继续在780℃～880℃下保温10min～30min。

5.根据权利要求1所述的一种核反应堆燃料通道锆合金压力管的制造方法，其特征在于，步骤四中所述冷轧的总变形量为20％～60％，对应的减壁减径比Q值为0.5～3.5。

6.根据权利要求5所述的一种核反应堆燃料通道锆合金压力管的制造方法，其特征在于，步骤四所述冷轧的总变形量为20％～40％，对应的减壁减径比Q值为0.5～1.5。

7.根据权利要求1所述的一种核反应堆燃料通道锆合金压力管的制造方法，其特征在于，步骤五中所述消应力退火处理的气氛环境为真空或水蒸气，所述消应力退火处理的温度为300℃～500℃，时间为24h～72h。