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核用鋯-4合金迷你燃料板的金相研究
發布:s0208_2016   時間:2016/4/13 15:45:09   閱讀:1443 
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1.引言

1978年,美國能源部啟動RERTR計劃(降低研究堆、試驗堆鈾濃度計劃:Reduced Enrichment for Research and Test Reactors),其目的在于用低濃度鈾(LEU:Low Enriched Uranium)取代目前使用的高濃度鈾(HEU:Highly Enriched Uranium)燃料。
 
自2003年以來,“全球減少威脅倡議”(GTRI:Initiative for Global Threat Reduction)強調了從高濃度鈾向低濃度鈾的轉變,并倡導探究和開發一種具備高密度的新化合物或鈾合金,以應對235U同位素的減少。
 
阿根廷國家原子能委員會(CNEA:National Commission of Atomic Energy)同時響應兩個項目的倡議,并成立了科學家團隊,研究一種新型迷你燃料板,該燃料板使用鋯-4合金(Zry-4)作為框架,中心是鈾-鉬合金(U-Mo)。鋯-4合金在核工業中廣為人知,它具有較強的中子俘獲截能力,優良的力學性能以及抗腐蝕能力。迷你燃料板具有雙表面涂層,中心為鈾-鉬合金,框架為鋯-4合金,經由焊接和熱軋工藝制成。
 
眾所周知,材料的力學性能很大程度上取決于其微觀結構還有熱處理技術。因此,測量鋯-4合金的微觀結構和微觀硬度在熱軋階段(溫度T約為650°C)和焊接階段的變化是非常有必要的。
 
本實驗旨在研究熱軋和TIG焊(非熔化極惰性氣體鎢極保護焊)過程的不同階段中,迷你燃料板邊緣以及中心的變化,以確定溫度的上升是否對生產過程造成影響。
 
2.方法

該金相研究方法遵循以下規則:

a. 樣品的準備符合ASTM E-3標準
b. 微觀結構的開發符合ASTM E—407標準
c. 維氏微觀硬度檢測符合ASTM E-384標準
 
在650°C,我們將表面涂料及框架生產中所使用的Zry-4合金條、迷你燃料板進行層壓,并用維氏微觀硬度儀和金相顯微鏡進行觀察。
 
經十次卷曲層壓,寬度為8mm的合金條被壓成2.4mm的薄片,每次寬度減少約11%。接著再經四次卷曲層壓,將2.4mm的合金條變為1.1mm,每次寬度減少18%。迷你燃料板的層壓工序前后共需15次。
 
3.實驗和結果

3.1 Zry-4合金條的微觀結構分析


圖1表示8mm合金條樣本的宏觀尺寸。箭頭指向垂直于卷軸的方向。圖2表示合金條A2的微觀結構。可見合金沿卷軸方向具有拉伸形貌。圖3表示合金樣品從8mm層壓至2.4mm。共需10次卷曲,每次卷曲需在加熱熔爐中保溫15分鐘,每次寬度平均減少11%。圖4表示樣本沿卷曲方向的各點微觀形貌趨于一致。圖5表示經四次卷曲層壓,1.1mm寬的合金條寬的微觀結構。
 
  圖1 8mm Zry-4合金條
 

圖2  8mm合金條樣本的微觀結構
 
圖3 將合金條卷曲層壓至2.4mm
 

圖4卷曲至2.4mm后合金條的微觀形貌
 

圖5經四次卷曲層壓,將2.4mm的合金條寬度減為1.1mm,得到其微觀結構,如右圖所示
 
上述樣本中的均相結構集中于卷軸方向。表1是三個樣品的微觀硬度數值。

表1 三個樣品的微觀硬度
 

3.2 迷你燃料版的微觀結構分析

影響Zry-4的微觀結構的主要因素是迷你燃料板的焊接過程,由于溫度升高,合金將有可能吸收空氣中的雜質,則會影響其微觀結構;而卷曲層壓過程則是第二主要的因素。

圖6展示的是未覆蓋涂料的迷你燃料板的宏觀圖像,用于評估焊接過程中微觀結構的變化。
圖6 未覆蓋涂料的迷你燃料板
  
圖7表示熱影響區外的結構,稱為基材(Base Material)。該等軸晶粒各相同性。圖8是熱影響區的微觀結構,自燃料板邊緣至中心,長度約為2.5mm。焊接過程中,材料加熱至熔融溫度,在此溫度下,基材的晶粒結構從α-相過渡至β-相,進而變成液體。同時,焊接邊緣將出現形變攣晶。材料一旦冷卻,焊接區呈現針尖狀的的晶粒結構,并包裹于β-相晶界中。
 
圖7 熱影響區外的微觀結構
 
圖8  熱影響區的微觀結構
 
3.3 卷曲層壓過程中微觀結構的評估

迷你燃料板從最初的6.5mm卷曲層壓至1.1mm。圖9是層壓后,寬度為2.7mm的燃料板的微觀結構。由圖可見,其微觀結構從具有等軸晶粒的α-相基材轉變為熱影響區,進而具有典型的鑄造組織。
 
圖9  2.7mm的燃料板的微觀結構
 
在圖10和11中,研究者們觀察了寬度從2.7mm卷曲層壓至2.4mm的迷你燃料板的微觀結構。正如之前觀察到的樣品微觀結構一樣,燃料板從具有等軸晶粒的α-相基材結構轉變為熱影響區,進而基材邊界具有典型鑄造結構。與之前樣品不同的是,合金邊緣的帶狀結構出現裂紋,研究者們在垂直于卷軸的方向發現更多形變。
圖10  2.4mm的燃料板的微觀結構
 
圖11 焊接邊緣的微觀結構

圖11中尖端所示,為迷你燃料板地釬焊處。所有焊接處表現為扭曲、斷裂的結構,并由β-相晶粒包裹α-相晶粒,幾乎沒有針狀晶粒。皆為卷曲層壓所致。
 
3.4 卷曲層壓步驟的硬度評估

考察不同的卷曲層壓步驟中的樣品微觀硬度。圖12、圖13是迷你燃料板的卷曲過程的硬度變化:分別對應沒有表面涂層、2.7mm寬、2.4mm寬、1.1mm寬四種情形。
 
如熱影響區的圖像所示,焊接過程提高了材料的微觀硬度。

此外,隨著卷曲層壓的次數不增加,迷你燃料板的各點硬度趨于一致。
 
圖12迷你燃料板的微觀硬度左:沒有表面涂層右:2.7mm寬
 
圖13迷你燃料板的微觀硬度左: 2.4mm  右:1.1mm

4.結論

在卷曲層壓步驟中,無論是用于表面涂料和框架制作的原材料(Zry-4合金條),還是迷你燃料板的各個樣本,晶粒尺寸都沒有發生顯著變化,其原因是始終未達到相變溫度。

考慮卷曲層壓步驟中的迷你燃料板樣品,其微觀硬度各不相同,熱影響區的硬度值更高。如圖4,晶粒各處結構趨于均勻有序。
 
焊接需在有保護氣的環境下進行,原因是Zry-4 、鈦、鎳易于空氣發生反應。建議使用散熱器降低溫度升高帶來的影響。


原作者:Alfredo G. Gonzalez 等
譯自:《Procedia Materials Science》2015年第 8期494-501頁
來源:材料與測試
譯者:Kate0609

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