鋯合金條帶消應力熱處理尺寸補償試驗*

2020-11-18 23:19:40李俊頎孫效禹葉遠東蔡貴川盛國福余國嚴

機械研究與應用 2020年5期

李俊頎，孫效禹，葉遠東，蔡貴川，成熙，盛國福，余國嚴

(中廣核鈾業發展有限公司中廣核先進燃料工程試驗中心，廣東陽江 529500)

0 引言

鋯是一種性能優良的稀有金屬，在化學周期表中位于Ⅳ-B族，原子質量是91.22，具有良好的塑性與強度[1-2]，并且在高溫純水中耐腐蝕性能與不銹鋼相近，但是熱中子吸收能力是不銹鋼1/15，因此在原子能工業得到了廣泛的應用，是反應堆唯一使用的燃料元件包殼材料[3-4]。

燃料組件主要支撐構件格架由條帶組裝，焊接而成。圖1為某型號條帶結構示意圖，其厚度為0.457 mm，條帶表面分布有16個裝配細槽，將整個條帶分隔為17組柵元，每組柵元上有1個條帶彈簧和2個剛凸，用于支撐燃料棒。由于條帶在沖壓過程中會產生殘余應力，影響組件堆內運行的穩定，因此需要對鋯合金格架條帶進行消應力熱處理，避免條帶上的成型特征在堆內發生應力松弛造成變形。

圖1 條帶外形結構圖

熱處理后，由于應力釋放，會造成成型特征回彈，尺寸收縮，因此需要對尺寸進行一定補償。尺寸補償的難點主要在于兩點：①由于不同特征的成型尺寸不同，強度不同，設計尺寸補償時，需綜合考慮所有成型特征，避免在補償部分特征的尺寸后，造成其它尺寸超差；②相同特征沖壓尺寸不同，熱處理后回彈量可能不同[5-6]，如條帶彈簧沖壓尺寸分別在上限和下限時，熱處理后回彈尺寸會有差異，因此需要對同一個特征的不同尺寸做工藝試驗。

筆者選擇某種鋯合金條帶的兩個典型特征進行分析，初步設計了尺寸補償參數，通過熱處理工藝試驗，驗證了該參數的合理性。最后選用500片條帶進行批量熱處理試驗，通過大批量試驗，最終驗證該尺寸參數的適用性。

1 試驗材料與方法

實驗材料選用的是國核寶鈦公司生產的CZ合金，采用真空氣淬爐進行消應力熱處理，工藝參數如表1所列。

表1 消應力熱處理工藝參數

依據相關技術要求，采用如下工藝對鋯合金條帶進行消應力熱處理，工藝曲線如圖2所示。

圖2 鋯合金零部件消應力熱處理循環曲線

2 試驗結果及分析

2.1 條帶彈簧尺寸補償設計試驗

圖3為某型號條帶彈簧，其長為20.6 mm，寬為4±0.05 mm，高度名義尺寸是1.83 mm，位置度0.1；表明高度尺寸最大值不能超過1.88 mm，最小值不能低于1.78 mm。彈簧尺寸有以下兩個特點：①長寬比較高，強度低，不易控制熱處理后尺寸；②條帶彈簧形狀為弧形，其半徑為R20 mm的圓弧，需要注意防止過沖，以防形狀變形。為確定補償尺寸，首先做一輪消應力熱處理工藝試驗，設計彈簧高度沖壓尺寸是1.92、1.9、1.88、1.86、1.84、1.82、1.80、1.78 mm共8組，每組有2個試樣。消應力熱處理后條帶彈簧尺寸變化如表2所列。

圖3 條帶彈簧外形結構圖

表2 條帶彈簧消應力熱處理試驗結果統計 /mm

其統計圖如圖4所示，熱處理后彈簧高度降低約0.01～0.04 mm，平均降低0.031 mm，收縮了約1.67%，其中熱處理前彈簧高度為1.816～1.9 mm時，熱處理后尺寸合格。在保證沖壓合格率前提下，經過仔細的分析和評估，暫定熱處理前沖壓尺寸為1.85±0.04 mm，這樣經熱處理后，其高度尺寸會在中值附近。

圖4 條帶彈簧消應力熱處理前后尺寸統計圖

2.2 剛凸高度尺寸補償設計試驗

剛凸外形如圖5所示，其長度約為6.6 mm，寬度為3±0.05 mm，高度名義尺寸是1.35 mm，位置度0.06；表明其尺寸最大值不能超過1.38 mm，最小值不能低于1.32 mm。與彈簧不同的是，剛凸長寬比較低，形狀近似于圓角矩形，結構緊湊，熱處理后回彈應比條帶彈簧小。為確定補償尺寸，首先做一輪工藝試驗，設計沖壓尺寸是1.4、1.38、1.36、1.34 mm共4組，每組2個試樣。