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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