鋯合金管滲氫方法研究

劉洋 石峰 杜浩

摘 要：鋯合金氫化物取向因子測定過程主要包括滲氫過程與氫化物顯示過程，氫化物取向因子測量的關鍵在于可控、有效的滲氫和氫化物的真實、清晰顯示，當得到一張氫化物數目合適，顯示清晰的金相圖片時，即可準確、快速的測出樣品的氫化物取向因子。通過對影響鋯合金管滲氫效果的可能因素進行分析與試驗，確定了溫度、壓力、腐蝕溶液種類、濃度、保溫時間等腐蝕參數[1]。

關鍵詞：鋯合金;滲氫;氫化物取向因子

中圖分類號： P29? ? ? ? ? ? ? ? ?文章標識碼：A

0引言

用作核燃料元件包殼材料的鋯合金管在核反應堆內的運行條件決定了其氫化物產生的不可避免，其中徑向氫化物的存在使鋯合金斷裂韌性降低，裂紋通過徑向氫化物擴展導致包殼管破裂[2]。在用于核燃料元件的包殼管技術條件中，氫化物取向因子作為一項重要檢測要求，列入了國內外的標準中。滲氫效果的好壞直接影響了氫化物取向因子檢測結果的有效性

與準確性。為此，我們針對鋯合金管滲氫效果的可能影響因素進行了分析與試驗，期望通過可控、有效的滲氫過程得到滲氫量合適，氫化物分布均勻的滲氫樣品。

1 試驗材料與試驗設計

1.1試驗材料

滲氫試驗中所選用管材為購買自加拿大ZPI公司的鋯4合金管，機加與熱處理狀態為：減徑擠壓后去應力退火。

1.2試驗設計

1.2.1滲氫方法的選擇

現階段技術成熟的滲氫方法主要有高壓釜滲氫與氫氣爐滲氫。高壓釜滲氫是在高壓釜容器加入氫氧化鋰溶液作為滲氫液[3]，在一定溫度與壓力下進行滲氫，氫氣爐滲氫是在氫氣爐中控制一定的爐溫，在氫氣氣氛條件下，控制氫氣的流量和壓力，對鋯合金管進行滲氫，滲氫后的樣品必須經過真空解吸熱處理。考慮操作的簡易性和設備的通用性，我們選擇高壓釜進行滲氫[4]。

1.2.2樣品的選擇與滲氫前的樣品處理

考慮氫含量測量和金相樣品制作的需要，選擇長度為15mm-20mm的Zr-4合金管作為實驗樣品。為便于樣品的后處理，盡量截取在截面及內外表面沒有氧化層的樣品。

參考高壓釜腐蝕實驗的通用要求[4]對截取后的樣品在滲氫前進行清理（去除樣品表面鋯屑和污染物）、磨制（用金剛石砂紙磨光樣品端面，去除因切割而產生的截面變形）、清洗（將磨制好的樣品置于混酸3%～7%的氫氟酸、40%～50%硝酸、水中進行清洗，去除鋯-4合金管表面的銹跡及氧化層）。

1.3.3高壓釜滲氫參數的設計

高壓釜滲氫與高壓釜水腐蝕試驗原理相同，參考高壓釜水腐蝕的條件[4] 確定：腐蝕溫度（360±3）℃，腐蝕壓力（18.7±0.5）MPa。可通過調節氫氧化鋰溶液濃度與保溫時間來對滲氫量進行控制。為此我們計劃先進行幾組預實驗后，根據預實驗的情況設計不同氫氧化鋰溶液濃度與不同保溫時間的實驗。

1.3.4滲氫后樣品的檢測計劃

我們計劃對滲氫后樣品的增重量、氫含量、金相圖片進行檢測，一方面可以衡量樣品在高壓釜中滲氫的程度，另一方面得到的測量結果將作為判斷滲氫效果是否適合的主要依據。

2 試驗結果與分析

固定實驗參數中的溫度（360±3）℃，壓力（18.7±0.5）MPa，確定影響樣品氫化物顯示、增重量和氫含量的實驗參數包括實驗介質溶液濃度、滲氫實驗的保溫時間。為了確定最佳實驗介質濃度和保溫時間，進行了多次實驗。表1、表2給出實驗介質濃度為1mol/L、1.5mol/L、2.0mol/L時，隨著保溫時間的增加，樣品的增重量、氫含量的變化情況。

從表1、表2樣品增重量、氫含量變化趨勢圖中可以看出，當實驗介質濃度從1.0mol/L變化到2.0mol/L時，樣品增重量、氫含量變化緩慢，而實驗介質濃度從1.0mol/L變化到1.5mol/L時，樣品增重量、氫含量增加迅速，說明實驗樣品在介質濃度大于1mol/L時，化學反應迅速增加，導致樣品中氫化物條數迅速增多的現象。而通過對不同濃度和不同時間的實驗后樣品的金相分析中可以看出，實驗介質濃度為1.5mol/L、實驗保溫時間為6h時，氫化物分析效果最好，此時樣品氫含量可以控制在（200～300）μg/g。

3 結論

（1）樣品氫含量為（200～300）μg/g時有利于對氫化物取向因子的測量;

（3）在高壓釜水腐蝕，即溫度（360±3）℃，壓力（18.7±0.5）MPa條件下，滲氫參數：氫氧化鋰溶液濃度為2.0mol/L，保溫時間6h時，可得到預期的滲氫效果。

參考文獻

[1] 楊芳林.鋯合金管材氫化物生長方式的研究[J].稀有金屬材料與工程，1999，（04）：11-12.

[2] 王瑞紅.氫化物在Zr-4合金中變形行為的研究[J].稀有金屬材料與工程，2003，（12）：28-29.

[3] 李小寧.鈷靶件用鋯合金管材氫化物取向的控制[J].鈦工業進展，2008，（05）：46-47.

[4] ASTM G 1-2003 Standard Practice for Preparing， Cleaning， and Evaluating Corrosion Test Specimens（腐蝕試樣的制備、清潔處理和評定用標準實施規范）.