溫度及氫化物對Zr-Sn-Nb合金焊縫疲勞裂紋擴展行為的影響研究

魏連峰，崔光順，包 陳，鄭 勇，王世忠

(1.中國核動力研究設計院 反應堆燃料與材料重點實驗室，四川 成都 610041；2.西南交通大學 力學與工程學院，四川 成都 610031)

與傳統的鐵、銅、鎳等金屬元素相比，鋯具有較低的密度、熱膨脹系數、熱中子吸收截面，還具有耐腐蝕、加工性能好、機械強度適中等優點，使得鋯及其合金在核工業以及航空航天等特殊領域具有極廣泛的應用[1-4]。

Zr-Sn-Nb合金是我國自主研發的新型鋯合金,是先進燃料元件的候選材料之一，應用過程中常采用熔化焊的方式進行連接。一方面焊接會導致微觀組織改變，引起應力集中，而焊接結構疲勞破壞往往起源于焊接結構的應力集中區。另一方面，作為燃料元件的鋯合金在堆內的振動會產生交變彎曲應力，啟停堆和運行期間的溫度波動也會引起熱循環應力。在交變應力的作用下鋯合金燃料元件的焊接區域極易誘發疲勞裂紋[5]。

近年來，對新鋯合金的研究主要集中于耐腐蝕性能、吸氫性能以及低周疲勞等方面。鋯能抵抗大多數有機酸、無機酸、強堿和一些熔融鹽的腐蝕侵害，因此，腐蝕環境中的一些關鍵部件可使用鋯材來提升使用壽命[6-7]。然而，鋯具有強烈的吸氫能力，其吸收的氫大部分來自于鋯/水反應[8]。高溫下鋯可溶解50%(原子分數)的氫，隨著溫度的下降，溶解度急劇減小，一旦超過極限固溶度，過量的氫就會以氫化鋯的形式析出，從而引發氫脆破壞[9-11]。另外，相關研究[12-14]表明，氫化物的存在對鋯合金的力學性能有顯著影響，如塑性降低、強度提高等。

Li等[15]研究了含有氫化物的Zr-Sn-Nb-Fe合金管材在室溫下的疲勞裂紋萌生和擴展行為。結果表明，疲勞裂紋從氫化物處啟裂擴展。Nikulin等[16]對E110鋯合金樣品(滲氫和未滲氫)進行了低周疲勞測試，解釋了不同氫化物取向的E110鋯合金疲勞裂紋擴展機理。周軍等[8]研究了不同氫含量對NZ2鋯合金疲勞裂紋擴展行為的影響。結果表明，氫含量增加導致NZ2合金的疲勞裂紋擴展速率增加，抗疲勞裂紋擴展能力降低。茍淵等[17]采用緊湊拉伸試樣，研究了不同氫含量的Zr-4及Zr-Sn-Nb合金在室溫下的疲勞裂紋擴展行為。結果表明，氫含量對疲勞裂紋擴展速率影響微弱，疲勞斷裂受通常的裂紋萌生、穩態擴展和瞬間斷裂機制控制。黃學偉等[18]采用薄片漏斗試樣開展了Zr-Sn-Nb合金室溫和500 ℃高溫下的低周疲勞行為研究。結果顯示，高溫對Zr-Sn-Nb合金疲勞壽命有顯著影響，隨著應變幅的增加，溫度影響趨弱。

雖然針對鋯合金疲勞行為的研究已有較多文獻報道，但針對Zr-Sn-Nb合金焊接板，同時考慮溫度和氫化物影響的疲勞裂紋擴展行為的研究卻非常罕見。本文擬對用于燃料組件制備的Zr-Sn-Nb合金焊接板材進行疲勞裂紋擴展行為試驗，研究溫度和氫化物對母材和焊縫疲勞裂紋擴展行為的影響，獲得不同溫度和氫含量條件下鋯合金的疲勞裂紋擴展規律，為典型結構失效分析和可靠性評估奠定基礎。

1 材料及方法

1.1 材料

反應堆燃料組件用Zr-Sn-Nb合金板材，厚度4 mm，化學組成(質量分數)如下：Sn，0.8%～1.2%；Nb，0.25～0.35%；Fe，0.3～0.4%；Cr，0.05～0.10%；O，0.09～0.12%；Zr，余量。采用真空電子束掃面焊接方法進行試板焊接，冷卻后形成如圖1所示的焊縫。

圖1 Zr-Sn-Nb合金板焊接及取樣示意圖Fig.1 Schematic showing of welding and specimen extraction for Zr-Sn-Nb alloy

分別在Zr-Sn-Nb合金焊接薄板母材區和焊縫區截取三點彎曲(SEB)試樣，試樣尺寸如圖2所示。其中，L=14 mm、W=3.5 mm、B=3.5 mm、a=0.5 mm。

圖2 SEB試樣構形及尺寸Fig.2 Configuration and size of SEB specimen

采用高壓釜腐蝕方式對部分Zr-Sn-Nb合金焊接薄板進行人工滲氫處理：首先采用30%H2O+30%HNO3+30%H2SO4+10%HF對焊接板進行酸洗以去除表面的氧化物及油污，然后在高壓釜內加入1 mol/L的LiOH溶液，將酸洗后的焊接板用掛鉤穿上懸掛在釜內，在360 ℃和18.6 MPa下腐蝕500 d。

腐蝕滲氫后母材和焊縫區域的氫化物金相圖示于圖3。由Image-Pro Plus軟件統計出氫含量約為350 ppm。從圖3可見，母材區氫化物取向相對均勻，基本沿水平方向分布；焊縫區域的氫化物密度更大，取向也多沿水平向分布。

圖3 Zr-Sn-Nb合金焊接板腐蝕滲氫后氫化物分布Fig.3 Distribution of hydride in Zr-Sn-Nb alloywelding sheet after hydrogenated

1.2 疲勞裂紋擴展速率試驗

預制疲勞裂紋在室溫下進行，采用等應力強度因子范圍ΔK控制，以保證裂紋擴展驅動力均勻及確保裂紋尖端不出現大范圍屈服。疲勞裂紋擴展速率試驗參照ASTM E647[19]相關要求進行，在MTS809 25 kN電液伺服材料試驗系統上完成，采用圖4所示加載系統。SEB試樣的加載線位移由安裝在剛性外延機構上的COD引伸計測得，該引伸計標距為5 mm、量程為4 mm、精度為0.5%。正式疲勞裂紋擴展速率試驗采用恒載荷幅控制。試驗工況列于表1。

圖4 疲勞裂紋擴展速率試驗加載系統Fig.4 Loading system of fatigue crack growth testing

表1 試驗工況Table 1 Test condition

采用柔度法測量試樣的實時裂紋長度，裂紋長度由式(1)計算。

(1)

式中：a為有效裂紋長度，mm；W為試樣寬度，mm；B為試樣有效厚度，mm；E為彈性模量，MPa；Cx為試樣柔度，mm/N；S為跨距，mm；Ux為無量綱參量；di為常數。

以Paris模型描述穩定擴展階段的da/dN-ΔK曲線：

da/dN=CΔKm

(2)

其中，N為循環次數。

為考察疲勞裂紋擴展試驗數據的分散性，參照楊冰等[20]的方法計算得到概率疲勞裂紋擴展曲線。相應的分析流程如下。

對式(2)兩邊取對數，并令X=lg ΔK、Y=lg(da/dN)、B=lgC，則任意可靠度p下的Paris模型為：

Yp=Bp+mpX

(3)

將Paris模型表示為均值和均方差曲線的形式：

Yμ=Bμ+mμX

(4)

Yσ=Bσ+mσX

(5)

式中：m為擬合參數；下標μ、σ分別表示參數的均值和均方差。根據對數正態分布函數特征，任意可靠度p下的裂紋擴展速率與均值和均方差之間滿足以下關系：

Y=Yμ+ZpYσ

(6)

式中，Zp為可靠度p下標準正態分布的百分位值。

將式(4)、(5)代入式(6)得到任意可靠度p下的裂紋擴展曲線，即p-da/dN-ΔK曲線：

Zp(Bσ+mσlg ΔK)

(7)

考慮到相同條件下不同試樣得到整套裂紋擴展數據的隨機特性，將n對試驗數據(da/dNi,ΔKi)(i=1,2,…,n)看作獨立讀取的數據，通過以下方法確定式(7)中的相關參數：首先采用相關系數優化法，用式(4)所示的均值曲線方程擬合整套試驗數據，求得參數Bμ和mμ；然后將Bμ和mμ代入式(7)，采用極大似然法確定參數Bσ和mσ。

2 結果與討論

Zr-Sn-Nb合金母材和焊縫在不同條件下的p-da/dN-ΔK模型參數列于表2，相應的p-da/dN-ΔK曲線示于圖5。由表2和圖5可見，p-da/dN-ΔK曲線均可較好地描述Zr-Sn-Nb合金母材和焊縫在不同條件下da/dN-ΔK曲線的數據分散性。對于相同的材料，360 ℃下da/dN-ΔK曲線的分散性相比室溫下的更大。

基于表2中的模型參數，對不同處理條件下母材和焊縫試樣p=50%時的da/dN-ΔK預測曲線進行對比分析，結果示于圖6。從圖6可見，溫度對未滲氫母材和焊縫的疲勞裂紋擴展規律有不同程度的影響。對于未滲氫母材，室溫下的da/dN-ΔK曲線低于360 ℃下的。對于未滲氫焊縫，室溫下的da/dN-ΔK曲線與360 ℃下的存在交叉現象。從圖6還可看到，在室溫和360 ℃下，未滲氫母材的da/dN-ΔK曲線明顯低于相同溫度下未滲氫焊縫的。該結果表明，相同溫度下，未滲氫母材的抗疲勞裂紋擴展性能均優于未滲氫焊縫。對于滲氫母材，室溫下的da/dN-ΔK曲線與360 ℃下的存在交叉現象。對于滲氫焊縫，室溫下的da/dN-ΔK曲線與360 ℃下的也存在交叉現象。

對比圖6中室溫下滲氫與未滲氫母材和焊縫疲勞裂紋擴展規律可見，未滲氫母材和焊縫的da/dN-ΔK曲線均低于滲氫后的da/dN-ΔK曲線，這表明，Zr-Sn-Nb合金母材和焊縫滲氫后的抗疲勞裂紋擴展能力降低。這是由于滲氫處理后析出的脆性氫化物聚集在裂紋尖端附近，導致其相對于未滲氫母材和焊縫更易發生啟裂擴展，從而降低了其抗疲勞裂紋擴展的能力。

對比分析360 ℃下母材和焊縫疲勞裂紋擴展規律可發現，未滲氫母材的da/dN-ΔK曲線略高于滲氫母材的da/dN-ΔK曲線。這是由于360 ℃下，原來聚集在裂紋尖端附近的氫化物部分溶解或擴散，使滲氫母材發生啟裂擴展的概率相對于室溫時有所降低，從而提高了抗疲勞裂紋擴展能力。

表2 Zr-Sn-Nb合金焊接板不同條件下的p-da/dN-ΔK模型參數Table 2 Parameter of p-da/dN-ΔK model for Zr-Sn-Nb alloy welded sheet at different conditions

a——未滲氫母材，室溫；b——未滲氫母材，360 ℃；c——未滲氫焊縫，室溫；d——未滲氫焊縫，360 ℃；e——滲氫母材，室溫；f——滲氫母材，360 ℃；g——滲氫焊縫，室溫；h——滲氫焊縫，360 ℃圖5 Zr-Sn-Nb合金母材和焊縫在不同條件下的p-da/dN-ΔK曲線Fig.5 p-da/dN-ΔK curves of Zr-Sn-Nb alloy base metal and welded seam under different conditions

圖6 不同處理條件下母材和焊縫疲勞裂紋擴展規律對比Fig.6 Comparison of fatigue crack growth law of base metal and welded seam under different treatment conditions

3 結論

1) 腐蝕吸氫后，析出的脆性氫化物主要沿水平向分布，且在裂紋尖端附近聚集，從而對Zr-Sn-Nb鋯合金母材和焊縫的疲勞裂紋擴展行為產生顯著影響。在相同溫度下，由于脆性氫化物的析出導致啟裂擴展概率增加，滲氫母材和焊縫的抗疲勞裂紋擴展能力明顯低于未滲氫材料。

2) 360 ℃下，聚集在滲氫母材裂紋尖端附近的脆性氫化物部分溶解或擴展，使其抗疲勞裂紋擴展能力相對于室溫條件時明顯提升。然而，對于滲氫焊縫，由于其高溫下脆性氫化物溶解或擴散的程度有限，因此在360 ℃下的抗疲勞裂紋擴展能力提升有限，使得滲氫焊縫在室溫和360 ℃下的da/dN-ΔK曲線出現交叉現象。