CN117070784A - 一种高强度耐腐蚀锆合金的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强度耐腐蚀锆合金的制备方法，该方法包括：一、真空自耗电弧熔炼和开坯锻造；二、包套轧制；三、交叉轧制；四、退火热处理。本发明采用包套轧制和交叉轧制工艺，有效避免轧制过程中锆合金表面的氧化和轧制开裂的问题，显著细化晶粒和弱化织构，改善锆合金的组织均匀性，显著提升锆合金的综合力学性能，该锆合金中组织均匀性好，且具有高强度和优异的耐沸腾硝酸腐蚀性能，适用于核乏燃料后处理设备。
Description
技术领域
本发明属于锆合金技术领域，具体涉及一种高强度耐腐蚀锆合金的制备方法。
背景技术
锆合金具有优异的耐沸腾硝酸腐蚀性能。由于锆和铪的互溶性是无限的，而添加铪有利于提高锆合金在沸腾硝酸中的腐蚀电位，提升耐沸腾硝酸腐蚀能力。此外，Hf元素的热中子吸收截面高于大多数元素，有效降低了放射性物质在乏燃料后处理设备中发生临界的可能性。因此，Zr-Hf系合金的应用有利于保障核乏燃料后处理设备的长期安全运行。
对于锆合金铸锭的熔炼，普通感应熔炼工艺难以有效去除夹杂和宏观偏析等冶金缺陷。真空自耗电弧熔炼可以去除H、N等杂质元素，抑制夹杂和其他冶金缺陷，得到近定向凝固柱状晶，对于宏观和微观偏析具有明显的改善作用。
传统轧制往往沿着同一方向进行，使得晶粒沿轧制方向拉长，导致了织构的形成，恶化了合金的塑性加工能力，易引起轧制过程中板材的开裂。包套轧制工艺制样简便、成形率高，通过借助包套可以减少轧制过程中锆合金表面的氧化，同时避免轧制开裂的问题。交叉轧制可以提高位错的迁移率，有利于位错的重排，而且促使应变分布更加均匀。此外，交叉轧制能够显著减弱材料的各向异性，细化合金晶粒，极大提高了合金的综合力学性能。但目前采用包套轧制结合交叉轧制制备锆合金的报道较少。
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，提供一种高强度耐腐蚀锆合金的制备方法。该方法采用包套轧制结合交叉轧制工艺，显著细化晶粒和弱化织构，改善锆合金的组织均匀性，显著提升锆合金的综合力学性能，解决了现有制备技术易引入冶金缺陷以及恶化锆合金力学性能的难题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种高强度耐腐蚀锆合金的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、根据目标产物锆合金的成分组成，选择原料配比进行真空自耗电弧熔炼和开坯锻造，得到锆合金锻坯；
步骤二、采用不锈钢对步骤一中得到的锆合金锻坯进行包套，然后进行轧制，得到锆合金板材；
步骤三、对步骤二中得到的锆合金板材进行交叉轧制，随后空冷至室温，得到轧制态锆合金；
步骤四、将步骤三中得到的轧制态锆合金置于热处理炉中进行退火热处理，随后冷却至室温，打磨表面氧化皮后，得到锆合金。
上述的一种高强度耐腐蚀锆合金的制备方法，其特征在于，步骤二中所述包套及轧制的过程为：先在锆合金锻坯的上下表面放置不锈钢钢板并将四周空隙进行焊接完成包套，然后将包套后的钛合金锻坯进行热轧直至得到目标厚度的锆合金板材，且热轧的累积变形量为50％～70％。本发明通过控制包套轧制的累积变形量，有效避免轧制过程中锆合金表面的氧化和轧制开裂的问题。
上述的一种高强度耐腐蚀锆合金的制备方法，其特征在于，步骤三中所述交叉轧制时，在连续沿一个方向轧制3～5道次后，垂直换向轧制3～5道次，重复上述轧制和垂直换向轧制工艺，直至得到目标厚度的锆合金板材，且交叉轧制的累积变形量为70％～90％。本发明通过控制轧制路径，实现了锆合金的交叉，进而显著细化了锆合金的晶粒，弱化了织构，从而大幅度提升了锆合金的力学性能。
上述的一种高强度耐腐蚀锆合金的制备方法，其特征在于，步骤四中所述退火热处理的制度为：加热至450℃～700℃保温1h～4h。
上述的一种高强度耐腐蚀锆合金的制备方法，其特征在于，步骤四中所述锆合金的屈服强度大于400MPa、延伸率大于25％，在含3种以上不同高价金属离子的沸腾8mol/L硝酸溶液中的均匀腐蚀速率低于0.006mm/a。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明采用自耗电弧熔炼法制备锆合金铸锭，有效抑制夹杂和宏观偏析等其他冶金缺陷，解决了锆合金容易引入冶金缺陷等关键性难题，然后对锆合金锻坯进行包套轧制和交叉轧制，有效避免轧制过程中锆合金表面的氧化和轧制开裂的问题，极大改善锆合金的显微组织和性能，突破了高质量锆合金制备过程中的关键性瓶颈问题。
2、本发明采用包套轧制，利用包套避免轧制过程中锆合金表面的氧化和轧制开裂的问题，保证制备工艺的顺利进行，提高了锆合金的质量。
3、本发明通过调控轧制路径，实现交叉轧制，促使应变分布更加均匀，显著减弱锆合金板材的各向异性，减缓轧制开裂倾向，保证交叉轧制过程的顺利进行，细化锆合金晶粒，极大提高了锆合金的综合力学性能。
4、本发明制备的锆合金的屈服强度大于400MPa、延伸率大于25％，在含3种以上不同高价金属离子的沸腾8mol/L硝酸溶液中的均匀腐蚀速率低于0.006mm/a，具有高强度和优异的耐腐蚀性能，适用于核乏燃料后处理设备。
下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的锆合金在含钌离子、铈离子、钒离子、铬离子的沸腾8mol/L硝酸溶液中的均匀腐蚀速率图。
具体实施方式
实施例1
本实施例包括以下步骤：
步骤一、根据目标产物锆合金的成分组成即按质量百分比计Hf8.95％，Fe0.25％，Cr 0.07％，Si 0.01％，C 0.04％，H 0.004％，其余为Zr及不可避免的杂质，选择原料配比并将原料混合坯料压制的电极置于真空自耗电弧熔炼炉的坩埚内并抽真空，进行2次熔炼，冷却至室温后得到锆合金铸锭，再进行三镦三拔的开坯锻造，得到锆合金锻坯；
步骤二、在步骤一中得到的锆合金锻坯的上下表面放置不锈钢钢板并将四周空隙进行焊接完成包套，然后将包套后的钛合金锻坯进行热轧，且热轧的累积变形量为50％，得到锆合金板材；
步骤三、对步骤二中得到的锆合金板材加热保温，然后进行交叉轧制，连续沿一个方向轧制5道次后，垂直换向轧制5道次，重复上述轧制和垂直换向轧制工艺，直至得到目标厚度的锆合金板材，且交叉轧制的累积变形量为90％，随后空冷至室温，得到轧制态锆合金；
步骤四、将步骤三中得到的轧制态锆合金置于热处理炉中，加热至700℃保温1h进行退火热处理，随后冷却至室温，打磨表面氧化皮后，得到锆合金。
图1为本实施例制备的锆合金在含钌离子、铈离子、钒离子、铬离子的沸腾8mol/L硝酸溶液中的均匀腐蚀速率图，从图1可以看出，该锆合金在不同腐蚀天数(2～12天)下的腐蚀速率均低于0.006mm/a，说明该锆合金具有优异的耐沸腾硝酸腐蚀性能，可以作为乏燃料后处理用的高品质锆合金。
对本实施例制备的锆合金的力学性能进行检测，结果如下表1所示：
表1
| 样品 | 抗拉强度(MPa) | 屈服强度(MPa) | 伸长率(％) |
| 实施例1 | 544 | 413 | 27.5 |
从表1可知，本实施例制备的锆合金的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为544MPa、413MPa和27.5％，说明本发明制备的锆合金具有优异的综合力学性能。
实施例2
本实施例包括以下步骤：
步骤一、根据目标产物锆合金的成分组成即按质量百分比计Hf8.95％，Fe0.25％，Cr 0.07％，Si 0.01％，C 0.04％，H 0.004％，其余为Zr及不可避免的杂质，选择原料配比并将原料混合坯料压制的电极置于真空自耗电弧熔炼炉的坩埚内并抽真空，进行2次熔炼，冷却至室温后得到锆合金铸锭，再进行三镦三拔的开坯锻造，得到锆合金锻坯；
步骤二、在步骤一中得到的锆合金锻坯的上下表面放置不锈钢钢板并将四周空隙进行焊接完成包套，然后将包套后的钛合金锻坯进行热轧，且热轧的累积变形量为60％，得到锆合金板材；
步骤三、对步骤二中得到的锆合金板材加热保温，然后进行交叉轧制，连续沿一个方向轧制4道次后，垂直换向轧制4道次，重复上述轧制和垂直换向轧制工艺，直至得到目标厚度的锆合金板材，且交叉轧制的累积变形量为80％，随后空冷至室温，得到轧制态锆合金；
步骤四、将步骤三中得到的轧制态锆合金置于热处理炉中，加热至600℃保温2h进行退火热处理，随后冷却至室温，打磨表面氧化皮后，得到锆合金。
经检测，本实施例制备的锆合金的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为513MPa、405MPa和27.5％，说明本发明制备的锆合金的具有优异的综合力学性能；同时，本实施例制备的锆合金在不同腐蚀天数(2～12天)下的腐蚀速率均低于0.006mm/a，说明该锆合金具有优异的耐沸腾硝酸腐蚀性能，可以作为乏燃料后处理用的高品质锆合金。
实施例3
本实施例包括以下步骤：
步骤一、根据目标产物锆合金的成分组成即按质量百分比计Hf8.95％，Fe0.25％，Cr 0.07％，Si 0.01％，C 0.04％，H 0.004％，其余为Zr及不可避免的杂质，选择原料配比并将原料混合坯料压制的电极置于真空自耗电弧熔炼炉的坩埚内并抽真空，进行2次熔炼，冷却至室温后得到锆合金铸锭，再进行三镦三拔的开坯锻造，得到锆合金锻坯；
步骤二、在步骤一中得到的锆合金锻坯的上下表面放置不锈钢钢板并将四周空隙进行焊接完成包套，然后将包套后的钛合金锻坯进行热轧，且热轧的累积变形量为70％，得到锆合金板材；
步骤三、对步骤二中得到的锆合金板材加热保温，然后进行交叉轧制，连续沿一个方向轧制3道次后，垂直换向轧制3道次，重复上述轧制和垂直换向轧制工艺，直至得到目标厚度的锆合金板材，且交叉轧制的累积变形量为70％，随后空冷至室温，得到轧制态锆合金；
步骤四、将步骤三中得到的轧制态锆合金置于热处理炉中，加热至450℃保温4h进行退火热处理，随后冷却至室温，打磨表面氧化皮后，得到锆合金。
经检测，本实施例制备的锆合金的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为520MPa、414MPa和28.5％，说明本发明制备的锆合金的具有优异的综合力学性能；同时，本实施例制备的锆合金在不同腐蚀天数(2～12天)下的腐蚀速率均低于0.006mm/a，说明该锆合金具有优异的耐沸腾硝酸腐蚀性能，可以作为乏燃料后处理用的高品质锆合金。
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 (5)
1.一种高强度耐腐蚀锆合金的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、根据目标产物锆合金的成分组成，选择原料配比进行真空自耗电弧熔炼和开坯锻造，得到锆合金锻坯；
步骤二、采用不锈钢对步骤一中得到的锆合金锻坯进行包套，然后进行轧制，得到锆合金板材；
步骤三、对步骤二中得到的锆合金板材进行交叉轧制，随后空冷至室温，得到轧制态锆合金；
步骤四、将步骤三中得到的轧制态锆合金置于热处理炉中进行退火热处理，随后冷却至室温，打磨表面氧化皮后，得到锆合金。
2.根据权利要求1所述的一种高强度耐腐蚀锆合金的制备方法，其特征在于，步骤二中所述包套及轧制的过程为：先在锆合金锻坯的上下表面放置不锈钢钢板并将四周空隙进行焊接完成包套，然后将包套后的钛合金锻坯进行热轧直至得到目标厚度的锆合金板材，且热轧的累积变形量为50％～70％。
3.根据权利要求1所述的一种高强度耐腐蚀锆合金的制备方法，其特征在于，步骤三中所述交叉轧制时，在连续沿一个方向轧制3～5道次后，垂直换向轧制3～5道次，重复上述轧制和垂直换向轧制工艺，直至得到目标厚度的锆合金板材，且交叉轧制的累积变形量为70％～90％。
4.根据权利要求1所述的一种高强度耐腐蚀锆合金的制备方法，其特征在于，步骤四中所述退火热处理的制度为：加热至450℃～700℃保温1h～4h。
5.根据权利要求1所述的一种高强度耐腐蚀锆合金的制备方法，其特征在于，步骤四中所述锆合金的屈服强度大于400MPa、延伸率大于25％，在含3种以上不同高价金属离子的沸腾8mol/L硝酸溶液中的均匀腐蚀速率低于0.006mm/a。
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