鋯管
材質(zhì)：R60702,R60704,R60705,Zr1 Zr2
執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)：ASTM B550 ASTM B551 GB/T21183-2007
鋯管，是利用金屬鋯和其他金屬制得的合金管形材料。由于鋯的核性能和耐腐蝕性能優(yōu)良，鋯合金管棒常常用于水冷反應(yīng)堆的核燃料組件及堆內(nèi)結(jié)構(gòu)，是重要的核材料。純鋯管棒主要用來制造化工設(shè)備，因?yàn)閮r(jià)格昂貴用量還不多。常用的鋯管棒的化學(xué)成分及其用途見表，其中鋯錫合金管棒的用量較多。
工藝特點(diǎn)
(1)鋯和氣體的親和力很強(qiáng)，它與氧、氫、氮分別在約200、300和400℃開始反應(yīng)，較高的溫度下反應(yīng)迅速，因而熔鑄、熱處理都要在真空爐內(nèi)進(jìn)行。在大氣中進(jìn)行熱加工時(shí)，應(yīng)采取妥善的保護(hù)措施，并且縮短高溫下的操作時(shí)間。
(2)鋯與模具的摩擦系數(shù)較高，容易粘附于模具表面；塑性變形的熱效應(yīng)顯著，加工時(shí)要求有良好的潤滑條件。
(3)加工規(guī)范對(duì)產(chǎn)品的使用性能具有較敏感的影響。尤應(yīng)注意控制成品前的冷加工和熱處理工藝，以滿足使用要求。
(4)管棒材的尺寸精度和表面質(zhì)量要求很高。所以，工藝裝備應(yīng)有良好的精度，工模具設(shè)計(jì)和制作應(yīng)先進(jìn)合理。
熔鑄
加工管棒用的鑄錠以海綿鋯為原料。核動(dòng)力工程用材料的錠子，要以核級(jí)海綿鋯為原料，并應(yīng)嚴(yán)格限制Hf、B、Cd、U等20多種雜質(zhì)元素的含量。合金元素可以以高純金屬或母合金等形式加入。
海綿鋯和合金元素一起被壓制成棒狀電極，在真空自耗電極電弧爐內(nèi)進(jìn)行兩次熔煉，可獲得組織致密、成分均勻的鑄錠。壓制棒狀電極之前，海綿鋯與合金元素應(yīng)該大體上均勻混合。壓制的電極應(yīng)有適當(dāng)?shù)闹旅芏?。二次熔煉所得的錠子，表里各處的化學(xué)成分都應(yīng)在規(guī)定的范圍之內(nèi)。
熔鑄鋯錫合金時(shí)，為了避免低熔點(diǎn)合金元素(Sn)在第一次熔煉時(shí)可能超前流淌，合金元素以母合金的形式加入，比以純金屬加入更有利于錠的成分均勻。熔鑄鋯錫合金用的是Zr—Sn—Cr—Fe或Zr—Sn—Cr—Fe—Ni母合金。熔煉鋯鈮合金錠時(shí)，合金元素以Zr—Nb母合金的形式加入，比以純鈮加入較容易避免難熔元素(Nb)的偏析。
母合金通常用真空非白耗電極電弧爐煉制。真空自耗熔煉法制備的鋯合金錠一般重約幾百公斤，它的成分均勻性容易控制，也適合塑性加工的需要。當(dāng)代熔鑄技術(shù)的進(jìn)步已能生產(chǎn)超過1t重的均質(zhì)大錠。
鋯及其合金感應(yīng)熔煉鑄造技術(shù)已開始步入實(shí)用化階段。此法的技術(shù)困難是克服坩堝材質(zhì)對(duì)鋯的污染，解決辦法有：采用復(fù)合涂層坩堝或冷坩堝感應(yīng)熔煉以及采用凝殼鑄造等工藝措施。例如，脈沖反應(yīng)堆用的鋯鈾合金棒既可用2～3次真空自耗熔煉鑄錠再擠壓的方法制取，也可采用真空中頻感應(yīng)爐直接鑄棒。
塑性加工鋯合金管棒的毛坯用熱鍛、熱擠壓等方法制備，熱加工塑性良好，變形抗力不很高。
光錠鍛造前用箱式電爐加熱。為了減少高溫氧化，錠子可用玻璃涂層保護(hù)。當(dāng)用燃油爐和煤氣爐加熱時(shí)，加熱應(yīng)在中性或微氧化性氣氛下進(jìn)行，避免火焰直射錠表面。大變形量的鍛造在β相(體心立方)進(jìn)行，精鍛在α相(密集六方)的高溫區(qū)進(jìn)行。鍛造設(shè)備選用空氣錘、蒸汽錘、油壓機(jī)均可。
管坯和棒坯采用包套擠壓法制取。常用紫銅做包套，以起改善潤滑和避免鋯高溫氧化的作用。鑄錠和鍛件都可以做擠壓坯。用箱式爐或工頻爐加熱，加熱溫度控制在α相的偏中高溫度區(qū)。
一般用錐形模擠壓，以保證擠出件的銅包皮連續(xù)與完整。擠前加熱的溫度上限是包套材質(zhì)與鋯可能產(chǎn)生共晶物質(zhì)的最低溫度(查Cu—Zr二元相圖可知)，以免惡化擠出件表面。例如，包銅套擠壓鋯及其合金時(shí)加熱溫度應(yīng)低于885℃。進(jìn)行高溫?zé)o包套擠壓時(shí)，可用玻璃浴爐或鹽浴爐加熱光錠。
管棒材成品用冷軋、旋轉(zhuǎn)鍛造、旋壓、拉拔等冷加工方法生產(chǎn)。鋯及其合金冷加工時(shí)的塑性良好，變形抗力中等，冷加工性能近似低碳鋼，但是難于潤滑而容易粘模，對(duì)拉拔坯料要進(jìn)行表面磷化或氧化處理。為了得到理想的表面質(zhì)量，管材一般不用拉拔而用冷軋法生產(chǎn)。
對(duì)于核燃料元件的包殼管，用量多要求高，可用二輥或多輥式冷軋管機(jī)組軋制。歐美各國多用二輥式冷軋管機(jī)生產(chǎn)鋯合金管。壓水堆用鋯合金包殼管的尺寸范圍是聲φ6～15mm×0.4～0.7mm。做燃料元件端塞的棒材通常也不用冷拔法生產(chǎn)，而且擠制的棒坯再經(jīng)冷旋轉(zhuǎn)鍛造制得。端塞的直徑與包殼管的外徑相同，棒材成品規(guī)格應(yīng)留有端塞機(jī)加工的裕量。
半成品管末次中間退火之后的終軋應(yīng)以減壁為主，終軋減壁率與減徑率的比值(Q)必須大于1。對(duì)于Q>1的管子在織構(gòu)分析時(shí)看到，金屬晶體六方點(diǎn)陣的C軸幾乎平行于管子直徑。
這種成品管子在反應(yīng)堆內(nèi)工作吸氫以后，取樣做橫截面金相分析時(shí)，可以看到氫化物的分布位向大體上呈切向。氫化物的這種切向分析有利于管子抗裂。而Q<1的管子，氫化物則近乎徑向分布。因此，管子末次中問退火后到成品規(guī)格前軋管的Q值應(yīng)≥2～3。
熱處理
在真空度1×10-2～1×10-3 Pa的真空爐內(nèi)進(jìn)行。有保護(hù)涂層或包皮完整的厚尺寸工件才允許在大氣中快速熱處理。鋯錫合金管棒的中間退火溫度約700℃，再結(jié)晶大約始于500℃，于600℃時(shí)晶粒明顯變粗。成品管材的消除應(yīng)力退火為450～500℃，成品管材的再結(jié)晶退火為530～600℃。
把鋯錫合金的最后一次中間退火改為加熱到β相或α相高溫區(qū)急冷，再經(jīng)最終冷加工和成品熱處理得到的成品管材，抗腐蝕性能更優(yōu)，其原因可能是成品管金相組織中的第二相細(xì)小彌散分布，并且增加了合金元素在α—Zr基體中的固溶含量。反應(yīng)堆的運(yùn)行情況表明，進(jìn)行過上述熱處理的鋯錫合金管，作為核燃料元件的包殼管，可以緩和燃料包殼在反應(yīng)堆運(yùn)行中產(chǎn)生癤狀腐蝕的性狀。但是，因?yàn)楣茏哟慊馉t制造的困難和管子淬火后表面清潔處理的困難，半成品管子淬火在工業(yè)上不易實(shí)施，所以生產(chǎn)者往往只在鍛后或擠壓前，把塊狀坯料進(jìn)行β相或α相高溫區(qū)加熱急冷處理，雖然這樣處理的效果稍差，但仍可優(yōu)化耐腐蝕性能。
鋯鈮合金是熱處理強(qiáng)化合金，進(jìn)行淬火—冷加工時(shí)效處理也可提高耐腐蝕性能。
產(chǎn)品性能檢驗(yàn) 核用管棒材出廠前要考核化學(xué)成分、腐蝕性能、力學(xué)性能、表面質(zhì)量、氫化物取向、金相組織、尺寸偏差、無損探傷等項(xiàng)指標(biāo)，保證管棒材的化學(xué)成分、腐蝕性能的指標(biāo)都相同，力學(xué)性能指標(biāo)相近。鋯材的熱中子俘截面很小，是優(yōu)良的核物理特性之一，由材質(zhì)的化學(xué)成分予以保證。鋯錫合金管棒的熱中子俘截面不大于0.24b，純鋯管棒的不大于0.18b。此外，抗輻照生長的能力較優(yōu)，是鋯材的又一核物理特性，它除了與反應(yīng)堆工況有關(guān)之外，還與鋯材的冷加工量及晶體織構(gòu)有關(guān)。
鋯錫合金管棒出廠前應(yīng)取樣，在400℃、10.3MPa水蒸氣中進(jìn)行3天或14天的腐蝕試驗(yàn)，并測(cè)出3天的增重應(yīng)小于22mg/dm2，14天增重應(yīng)小于38mg/dm2，表面生成黑亮色的保護(hù)膜。出廠的再結(jié)晶態(tài)鋯錫合金管材的力學(xué)性能是：室溫強(qiáng)度極限≥413MPa，屈服強(qiáng)度≥241MPa，延伸率≥20%，高溫強(qiáng)度及消除應(yīng)力態(tài)管材的力學(xué)性能指標(biāo)則由供需方協(xié)商規(guī)定。鋯鈮合金管棒雖比鋯錫合金管棒的腐蝕增重量略大一些，而強(qiáng)度則較高些，也是壓水型核反應(yīng)堆使用的理想材料。