核电用锆合金管材在加工过程中的组织及织构研究

摘要

锆合金由于具有优良的抗高温水及过热蒸汽的腐蚀性能、良好的机械性能以及低的热中子吸收截面，被普遍用作核动力水冷反应堆或大型压水堆核电站的燃料包壳管。但是由于锆合金具有各向异性，在形变过程中具有有限的滑移系，因此极易在加工过程中发生择优取向。锆合金的织构与显微组织对其机械性能、氢化物取向、应力腐蚀开裂以及辐照尺寸变化等均有很大影响，因此很有必要研究锆合金在加工过程中的工艺参数对其显微组织与织构的影响，从而优化加工工艺参数，达到改善其综合性能的目的。
　　 本论文中锆合金管材的制备采用了低温加工技术及大变形量强应变加工技术(具有无缝特征的皮尔格轧制)，研究其对组织均匀性和织构取向因子的控制。本文通过扫描电镜电子通道衬度像、X射线衍射、背散射电子衍射技术对锆合金管材在加工过程中的显微组织和织构演变进行了分析，分别讨论了加工工艺(挤压温度、形变程度以及最终退火工艺参数)对管材组织和织构的影响，主要结论如下：
　　 ①通过分析不同挤压温度下管坯的显微组织和织构，可得出初步结论：(1)挤压均发生在单相区上限，二者显微组织具有相似性，均以再结晶组织和形变回复组织组成，再结晶组织由细小的等轴晶粒组成；(2)二者织构具有显著的不同，表现为：经650℃挤压的管坯，其以<1010>平行于轴向为主，经630℃挤压的管坯，以<1120>平行于轴向为主，另外，前者基轴在RD-TD面内分布散漫，后者基轴在RD-TD面内以切向取向为主。
　　 ②挤压管坯在随后的减薄过程中的组织演变规律为：第一次皮尔格轧制后，晶粒沿轧制方向变形并破碎，呈现为不均匀的纤维状组织，经过第一次中间退火处理后，发生了回复和不完全再结晶；管材第二次、第三次、第四次皮尔格轧制(终轧)的形变程度依次增大，显微组织的不均匀程度也随之增大，中间退火处理后，均发了生完全再结晶，得到了均匀的再结晶组织，其中的等轴晶由两种尺寸的晶粒组成。但由于形变程度的依次增大，退火后晶粒细化程度也逐渐增大。成品管材的最终退火处理采用了不同的退火工艺参数进行试验，结果表明：不同的退火参数处理后，均得到了均匀的再结晶组织，但等轴晶的细化程度有所不同，经560℃/2.5h最终退火处理的成品管材的平均晶粒尺寸最小。
　　 ③管材轧制减薄过程中的织构演变规律是，形变后，<1010>平行于轴向，退火处理后，大部分晶粒的基面绕基轴旋转±30°，使得<1120>平行于轴向的晶粒增多，同时存在少量晶粒的<1010>>平行于轴向，这是由于在退火处理过程中，具有<1120>//AD取向的晶粒通过吞噬<1010>//AD取向晶粒而导致的，即晶粒的择优长大使得织构发生了变化；此外，在热机械加工过程中，Q值和形变程度对基轴的偏移有影响，当Q<1时，基轴主要是切向取向，当Q接近1时，基轴分布散漫，当Q>1时，基轴主要是径向取向；随着Q值的增大，基轴逐渐向径向偏移；退火处理对织构的影响不显著，表现为基轴由切向往径向略微的偏移，终轧退火处理后，基轴主要分布在与径向偏离±30°的范围内，即基轴呈径向分布；此外，退火处理使得织构强度明显减弱。另外，管材在中间轧制较薄过程中，沿壁厚方向存在织构梯度。