CN113613807B - 锆合金管状产品制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用锆合金管状产品制造，这些管状产品可用于水冷核反应堆包壳管。锆合金管状产品制造方法，包含质量％：铌0.9‑1.7；铁0.04‑0.10；氧0.03‑0.10；硅0.02以下，碳0.02以下，锆‑合金基体，包括通过多次真空电弧重熔熔炼钢锭、加工钢锭、加热、钢锭热变形、后续加工以获得管坯、对管坯进行热处理、在其上涂覆保护涂层并加热至热压温度、热压、去除保护涂层、多级冷径向锻造、真空热处理、多次冷轧，每道次总变形量为50‑80％，管材系数Q＝1.0‑2.7，每次冷轧作业后进行中间真空热处理，最终对成品管状产品进行真空热处理，以及后续的精加工操作。技术结果：提高了管状产品制造中使用的热、冷压力处理各阶段材料的可制造性，以及具有稳定的机械性能和抗变形特性的管状产品的高耐腐蚀性。
Description
技术领域
本发明涉及核技术领域，特别涉及一种用锆合金管状产品制造方法，该锆合金用作水冷核反应堆的包壳管和压力管，特别是用于水-水型动力反应堆。
背景技术
锆合金因其独特的性能被用作核动力反应堆结构元件的材料：吸收热中子的小截面，耐高温水和水蒸气环境中的腐蚀稳定性，抗氧化性和抗氢化性，小辐射生长等物理机械性能。管状产品的性能取决于化学成分和从铸锭熔炼到精加工的每一种工艺操作。
已知的是“锆合金管状产品制造方法(方案)”(RU 2123065С1，公开日1997年3月12日，C22F/1/18级)，包括二元锆合金获得初始坯料，以及获得管坯、通过中间和最终退火冷轧管坯。
这种方法的缺点是，在热挤压之前，管坯上没有涂覆保护涂层，这会导致金属在制造过程中发生氧化，降低管状产品生产的可制造性；没有提供精加工操作来去除管状产品表面残留的工艺污染物，降低了表面粗糙度，从而降低了产品的耐腐蚀性。
已知的是“锆合金产品制造方法”(RU2110600С1，公开日1998年5月10日，C22F/1/18级)，包括通过热成形初始坯料制造铸锭，然后通过热成型获得中间坯料，对切好的坯料进行淬火和回火，在冷轧之前进行热成型和回火，冷轧。
这种方法的缺点是，在热挤压之前，铸锭上没有涂覆保护涂层，这会导致金属在挤压过程中发生氧化，降低管状产品生产的可制造性；没有提供允许去除管状产品表面残余技术污染物和降低表面粗糙度的精加工操作，从而降低产品的耐腐蚀性。
最接近该方法的是“燃料元件包壳耐腐蚀性增强的锆合金及其制造方法”(US2016/0307651А1，公开日2016年10月20日，G21C 3/07、B22D 21/00、B22D 7/00、С22С16/00、C22F 1/18级)。本发明公开了一种耐腐蚀锆合金的成分及其制造燃料元件包层的方法，包括熔炼铸锭、在铸锭上涂上保护钢套、在热轧前对带护套的铸锭进行热处理、热轧、去除保护钢涂层、热轧管坯的热处理、三道冷轧、每次轧制后的中间热处理和最终热处理。
这种方法的主要缺点是冷轧时材料的加工率低，每道次的总变形量高达60％，导致热轧组织的不均匀性得不到完全消除。此外，该方法的缺点是：使用含碳钢钢套，在热轧温度下与锆合金相互作用，可能形成碳化物。此外，材料再结晶程度是决定锆合金可制造性和抗变形特性(耐热性、耐辐射热蠕变性和耐辐射性)的主要因素之一。在选定的变形制造方案(第一和第三阶段变形30-40％，第二阶段冷变形50-60％)下，中间退火的低温(第一道次从570℃到590℃，第二道次从560℃到580℃，第三道次从560℃到580℃)不足以松弛残余应力和完成再结晶过程，这不仅会对材料的可制造性产生负面影响，而且会影响其抗形状变化的特性，包括在辐射作用下。使用三级长期终轧退火(第一级从460℃到470℃，第二级从510℃到520℃，第三级从580℃到590℃)可以获得更高水平的材料强度，而抗形状变化的特性主要由于再结晶过程的不完整性而恶化。该技术方案没有提供允许去除管状产品表面残余技术污染物和降低表面粗糙度的精加工操作，从而降低产品的耐腐蚀性。
发明内容
本发明的目的是开发一种从可用于水冷核反应堆包壳管的锆合金中生产不同直径管状产品的方法。
技术结果：提高了管状产品制造中使用的热、冷压力处理各阶段材料的可制造性，以及具有稳定的机械性能和抗变形特性的管状产品的高耐腐蚀性。
该技术成果是在一种用锆合金制造管状产品的方法中实现的，包含质量％：铌0.9-1.7；铁0.04-0.10；氧0.03-0.10；硅0.02以下，碳0.02以下，锆-其他，包括通过多次真空电弧重熔熔炼钢锭、加工钢锭、加热、钢锭热变形、后续加工以获得管坯、对管坯进行热处理、在其上涂覆保护涂层并加热至热压温度、热压、去除保护涂层、多级冷径向锻造、真空热处理、多次冷轧，每道次总变形量为50-80％，管材系数Q＝1.0-2.7，每次冷轧作业后进行中间真空热处理，最终对成品管状产品进行真空热处理，以及后续的精加工操作。
热变形是在980℃到700℃的温度范围内通过多级锻造或螺旋轧制进行的，总变形程度为67-83％，中间加热温度为850℃到800℃。
管坯是通过钻取并随后在在热变形后按一定长度切割的钢锭上钻轴向中心孔获得的。
在730℃到780℃的温度下对管坯进行热处理。
管坯的热压在750℃到650℃的加热温度下进行，拉伸度μ＝8.9～12.9。
对管坯进行了多级冷径向锻造，每道次变形量为33％。
在565-630℃的温度下，在冷轧间隔时间内对管坯进行真空热处理以及最终真空热处理。
真空热处理在1·10-4-1·10-5mm Hg的炉内残余压力下进行。
在管状产品的最终尺寸，对其表面进行化学和机械处理。
锆合金中合金成分的选择比例提供了管状产品的工艺性能、耐腐蚀性、力学性能稳定特性和抗变形能力。
根据所述方法获得管状产品的优点在于，铸锭的热变形(锻造或螺旋轧制)可沿铸锭的长度和截面均匀地处理铸造结构；铜保护涂层的使用提供了防止气体饱和的保护，并且排除了涂层和坯料之间的扩散相互作用。采用中间热处理的冷轧提供了均匀的再结晶结构，具有高机械性能，以及所需的横向和纵向性能各向异性。精加工可使内外表面的粗糙度Ra小于0.8μm，从而提高了腐蚀性能的稳定性。内表面的粗糙度使得改进燃料芯块装入管状产品的工艺成为可能。
具体实施方式
方法如下：
例1
根据权利要求保护的技术方案，制造锆管状产品的技术包括以下操作。熔炼具有以下成分的合金锭：铌-0.97-1.03质量％，铁-0.080-0.010质量％，氧-0.040-0.045质量％，硅-0.003-0.004质量％，碳-0.0044-0.0046质量％，锆-其他。将原始合金成分与电解锆粉混合，形成自耗电极，采用双真空电弧重熔。机械加工铸锭。铸锭在电阻炉中加热到980℃至930℃的温度。在980℃到700℃的温度范围内对钢锭进行加热后的多级锻造或螺旋轧制，在850℃到800℃的电阻炉中进行中间加热。在钢锭热变形过程中，总变形量∑ε在67～83％之间。将铸锭切割成尺寸为mm或/>mm的测量长度，然后进行机加工，通过钻取和随后在其中钻轴向中心孔获得管坯。在730℃至780℃温度下对管坯进行热处理。管坯表面粗糙度不大于Ra＝2.5μm。然后，在管坯上涂覆一层铜涂层，以防止在随后的加热和热压过程中发生气体饱和。用于热压的管坯加热采用
组合方式，先在感应炉中加热，然后在电阻炉中加热，以使管坯的高度和横截面上的温度均衡。管坯在压制前的加热温度在650℃到750℃之间。在拉伸度μ从11.4到12.9的范围内进行压制。然后去除铜涂层，进行多次冷轧的准备工作。为了减少管坯加工过程中切屑中的金属损失，在SKK型径向锻造机上进行了多级径向锻造，每道次变形量ε＝33％。然后，将管坯送至真空热处理(T＝565℃)。管坯在CR型、KPW型冷轧机上分三道次轧制，每道次的总变形量∑ε在60％到80％之间，而管道系数Q在1.0-2.7之间。中间热处理和精加工热处理在590℃到630℃的真空温度范围内进行，炉内残余压力不高于1·10-4-1·10-5mm Hg。在590℃至630℃的温度下对管状产品进行最终真空热处理后，进行精加工操作：分批或射流蚀刻、内部磨损、外部研磨和抛光。
根据权利要求保护的技术方案制造的锆合金管材具有以下特性(表1，示例1)。
例2
根据权利要求保护的技术方案，制造锆管状产品的技术包括以下操作。熔炼具有以下成分的合金锭：铌-0.99-1.08质量％，铁-0.051-0.057质量％，氧-0.075-0.080质量％，硅-0.003-0.004质量％，碳-0.0032-0.0036质量％，锆-其他。将原始合金成分与锆镁热海绵混合，形成自耗电极，采用双真空电弧重熔。机械加工铸锭。铸锭在电阻炉中加热到930℃至980℃的温度。在980℃到700℃的温度范围内对钢锭进行加热后的多级锻造，在800℃到850℃的电阻炉中进行中间加热。在钢锭热变形过程中，总变形量∑ε＝67％。将铸锭切割成尺寸为mm的测量长度，然后进行机加工，通过钻取和随后在其中钻轴向中心孔获得管坯。在730℃至780℃温度下对管坯进行热处理。管坯表面粗糙度不大于Ra＝2.5μm。然后，在管坯上涂覆一层铜涂层，以防止在随后的加热和热压过程中发生气体饱和。用于热压的管坯加热是在感应炉中或以组合方式进行的，首先在感应炉中加热，然后在电阻炉中加热，以使管坯的高度和横截面上的温度均衡。管坯在压制前的加热温度在650℃到670℃之间。在拉伸度μ＝8.9。然后，去除铜涂层。为了减少管坯加工过程中切屑中的金属损失，在SKK型径向锻造机上进行了多级径向锻造，每道次变形量ε＝33％。然后，将管坯送至真空热处理(T＝565℃)。管坯在CR型、KPW型冷轧机上分四道次轧制，每道次的总变形量∑ε在50％到78％之间，而管道系数Q在1.0-2.3之间。中间热处理在570℃到600℃的真空温度范围内进行，炉内残余压力不高于1·10-4-1·10-5mm Hg。在590℃至595℃的温度下对管状产品进行最终真空热处理后，进行精加工操作：分批或射流蚀刻、内部磨损、外部研磨和抛光。
工业适用性
根据权利要求保护的技术方案制造的锆合金管状产品具有以下特性(表1，示例2)。
因此，本发明的制管方法使获得力学性能和抗变形性能稳定的高耐蚀管状产品成为可能。
Claims (9)
1.一种用锆合金锭制造管状产品的方法，包含质量％：铌0.9-1.7；铁0.04-0.10；氧0.03-0.10；硅0.02以下，碳0.02以下，锆-其他，包括通过多次真空电弧重熔熔炼钢锭、加工钢锭、加热、使锭料热变形并且后续加工以获得管状毛坯、对管状毛坯进行热处理、在管状毛坯上涂覆保护涂层以防止加热和热压过程中的气体饱和，并将管状毛坯加热至热压温度、热压、去除保护涂层、多级冷径向锻造、真空热处理、多次冷轧，每道次总变形量为50-80％，管材系数Q＝1.0-2.7，每次冷轧作业后进行中间真空热处理，在精加工尺寸下最终对成品管状产品进行真空热处理，以及后续的精加工操作。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
热变形是在980℃到700℃的温度范围内通过多级锻造或螺旋轧制进行的，总变形程度为67-83％，中间加热温度为850℃到800℃。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
管状毛坯是通过钻取并随后在热变形后按一定长度切割的钢锭上钻轴向中心孔获得的。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
在730℃到780℃的温度下对管状毛坯进行热处理。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
管状毛坯的热压在750℃到650℃的加热温度下进行，辗长系数μ＝8.9～12.9。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
对管状毛坯进行了多级冷径向锻造，每道次变形量为33％。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
在565-630℃的温度下，在冷轧间隔时间内对管状毛坯进行真空热处理以及最终真空热处理。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，
真空热处理在1x10-4-1x10-5mm Hg的炉内残余压力下进行。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
精加工操作包括对在管状产品的精加工尺寸进行化学和机械处理。
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