Zr-2.5Nb合金高溫流變行為及熱加工圖研究

田 鋒,李 帥,周 宣,李新意,李宇力,周 軍,鐘茜婷

(1.西安西部新鋯科技股份有限公司,陜西 西安 710299;2.太原理工大學,山西 太原 030024;3. 西安稀有金屬研究院有限公司,陜西 西安 710000)

鋯及鋯合金在高溫高壓水環境中具有良好的耐蝕性能、適中的力學性能以及較低的中子吸收截面,廣泛用作水冷堆及氣冷堆的堆芯結構材料(包殼、端塞、格架等)[1]。核級鋯合金發展至今,已經形成Zr-Sn系、Zr-Nb系、Zr-Sn-Nb系三種體系,作為燃料包殼的典型合金有Zr-4、E110、ZIRLO、N36等合金。核級鋯材除了用于燃料組件外,也可用于RBMK、PHWR堆燃料通道壓力管,如Zr-2.5Nb合金。這些鋯合金管材通常經過熔煉、鍛造、β淬火、擠壓、軋制/拉拔、退火等工序加工而成,其中的熱成形工序因涉及β→α轉變,在組織結構控制中發揮著重要作用,并與合金的成分和熱加工參數密切相關[2,3]。

鋯合金的塑性變形行為與變形溫度、速率關系密切。密排立方結構的α鋯合金,晶胞結構c/a<1.633,室溫變形主要依靠柱面滑移和孿生,在高溫下錐面(c+a)滑移則成為主要變形機制[4,5]。高應變速率變形條件下,剪切帶成為鋯合金塑性變形的重要方式[6]。西北有色金屬研究院在第三代鋯合金NZ2(Zr-1%Sn-0.3%Nb-0.3%Fe-0.1%Cr)的研制過程中發現在高應變速率(10 s-1和50 s-1)變形時其流變曲線不同于低應變速率條件,出現不連續屈服現象[7]。

相比于單α相的包殼合金,Zr-2.5Nb合金因含有2.5%的β相穩定元素Nb,穩態組織包括10%的β相和90%的α相,其高溫變形行為必然有較大不同。然而,目前針對雙相核級鋯合金高溫變形行為的研究較少。因此,本文針對壓力管用Zr-2.5Nb合金,開展高(α+β)相區變形行為研究,掌握高溫流變行為及熱加工穩定性,為Zr-2.5Nb合金鍛造和擠壓提供依據。

1 實驗材料和方法

本實驗所用材料為核級Zr-2.5Nb合金,其化學成分(質量分數)為,Nb 2.52%;O 0.106%;雜質元素<0.05%;其余為Zr。利用核級海綿鋯以及鋯鈮中間合金制成電極塊,采用4次真空自耗熔煉得到Zr-2.5Nb合金鑄錠,而后通過兩火次鍛造獲得棒坯,最后經1 000℃以上的β淬火獲得用于實驗的β淬火棒坯。

1.1 熱壓縮實驗

從β淬火棒坯上加工出尺寸為Φ10 mm×15 mm的試樣,并在Gleeble-3800熱模擬試驗機上進行熱壓縮實驗,變形溫度分別為750 ℃、780 ℃、810 ℃、840 ℃、880 ℃,變形速率為0.001 s-1、0.01 s-1、0.1 s-1、1 s-1,變形量為60%。……