N36锆合金棒材性能研究

介绍了热轧和热轧/热旋锻两种锆合金棒材制备工艺过程及其特点,对两种工艺制备的N36锆合金棒材做了力学性能、腐蚀性能、微观结构和织构等性能的分析。结果表明,热轧工艺棒材的综合性能优于热轧/热旋锻工艺棒材,结合工艺过程的易操作性,可确认热轧工艺是较优的N36锆合金棒材制备工艺。

N36锆合金中第二相粒子对500℃蒸汽腐蚀吸氢行为的影响

对2种N36锆合金成品管试样进行疖状腐蚀试验,腐蚀条件为500℃、10.3 MPa的过热蒸汽。2种试样的区别在于不同的热处理制度形成的第二相粒子尺寸差异。腐蚀动力学曲线表明:A试样的抗疖状腐蚀性能优于B试样。腐蚀后期,两者的氢含量相近而腐蚀增重差距较大,说明第二相粒子尺寸的差异首先引起了腐蚀动力学的差异,然后间接影响了吸氢行为。

N36锆合金热挤压管坯显微组织研究

利用透射电镜(TEM)、X射线能谱仪(EDS)、扫描电镜(SEM)及其电子背散射衍射(EBSD)附件,研究N36锆合金热挤压管坯的显微组织。结果表明,N36合金热挤压管坯晶粒组织沿挤压方向被拉长而形成长条状组织,且长条状组织间有大量较小的再结晶晶粒及亚晶界。挤压坯组织中析出相主要是β-Zr及少量的β-Nb和Zr-Fe-Nb相,呈较为均匀弥散分布的特征。

N36锆合金包壳堆内腐蚀模型研究

本文利用池边检查数据,基于阿累尼乌斯方程建立了N36锆合金包壳堆内腐蚀最佳估算模型。由于缺乏腐蚀转折前数据,N36锆合金包壳腐蚀转折前氧化膜厚度只是时间的函数,腐蚀转折后氧化膜厚度是包壳温度和时间的函数。通过在最佳估算腐蚀模型上添加工程因子,建立了不同加工工艺N36锆合金包壳腐蚀模型。N36锆合金包壳腐蚀包络模型在最小腐蚀转折点的基础上建立。模型验证结果表明,N36锆合金包壳腐蚀模型与验证数据符合较好,能够用于N36锆合金堆内腐蚀行为模拟。

N36锆合金管材的织构研究

利用X射线衍射测试技术,对N36锆合金成品管材的织构进行了测量。利用极图、织构取向因子,特别是采用三维晶体学取向分布函数等表征手段,系统分析了N36锆合金成品管材的织构特征。研究结果表明,N36锆合金成品管材的主要织构组分为基面型(0002)<1120>;管材径向上织构取向因子最大,大多数晶粒的[0002]基极集中在与管材的轴向垂直的ND-TD面上,并且偏离径向30°左右呈现典型双峰分布;除基面类型织构组分外,N36锆合金管材还存在一些相对强度比(0002)基面类型织构更高的锥面类型织构,而柱面类型织构较弱。

N36锆合金包壳辐照生长经验模型研究

利用N36锆合金包壳燃料棒堆内辐照考验的部分池边检查数据,计算了4个典型辐照生长经验模型对N36锆合金包壳的适用参数。计算结果表明,在典型辐照生长经验模型中,双曲正切经验模型最适合描述N36锆合金包壳辐照生长行为。在双曲正切经验模型基础上,建立了N36锆合金包壳辐照生长最佳估算模型和包络模型。通过添加工程因子,建立了不同加工工艺的N36锆合金包壳辐照生长经验模型。利用池边检查剩余数据对N36锆合金包壳辐照生长经验模型进行了验证,模型与数据吻合较好。

热处理工艺对N36锆合金耐腐蚀性能影响的研究

研究热处理工艺对N36锆合金耐府蚀性能的影响。选取N36锆合金材料,进行不同的变形热处理实验,将最终试样放入高压釜中在400℃、10.3 MPa条件下进行水蒸气腐蚀。经过为期310 d的腐蚀后发现,580℃样品的耐腐蚀性能最佳。

N36锆合金包壳管碘致应力腐蚀断面形貌分析

开展了在350℃和碘气氛环境下实施N36锆合金管环形样品的周向拉伸试验,研究N36锆管的碘致应力腐蚀开裂(I-SCC)行为。采用扫描电子显微镜(SEM)观察分析样品经I-SCC试验后的断面形貌。结果表明,试样边缘位置易于出现点蚀坑,多条裂纹平行于断口生长,沿晶与穿晶裂纹之间没有明显的界限。

环向应力及热循环对N36管材氢化物应力再取向的影响研究

采用高压釜渗氢、拉伸试验机进行氢化物应力再取向、金相显微镜和图像处理观察测量氢化物取向因子等方法,研究了环向应力和热循环次数对N36锆合金管材氢化物应力再取向的影响,获得了氢化物应力再取向分布规律。结果表明,F_N^(40°)随应力和热循环次数的增加而增大,最后趋于稳定,并且整个试样壁厚截面上的(F_N^(40°))均未超过0.5。在200~400℃上进行1个热循环周次时,氢化物应力再取向的应力阈值在80~95 MPa。

均匀实验设计-电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)法测定N36锆合金中微量钠元素含量

建立了电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)法测定N36锆合金中微量钠元素含量的分析方法。对样品溶解方法、观测方式、谱线选择、基体效应干扰等对实验的影响进行了讨论。采用均匀试验设计法确定了最佳的等离子体发生器功率、等离子气流量、辅助气流量、雾化气流量。实验结果表明,锆基体对测定结果有较大影响。采用基体匹配消除干扰,在均匀实验设计优化的仪器测定参数下,实验证明,方法的相对标准偏差(RSD,n=11)<5%,加标回收率在95%～105%。所建立的方法快捷、简便、准确,满足核用N36锆合金中微量钠元素的分析要求。

电感耦合等离子体原子发射光谱法测定N36锆合金中微量钼和铅

建立了电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)法测定N36锆合金中微量钼和铅的分析方法.讨论了样品溶解、基体效应干扰、谱线选择和观测方式等对测定结果的影响.采用均匀试验设计确定最适合的仪器测定参数,包括等离子气流量、辅助气流量、雾化气流量和等离子体发生器功率.结果表明,锆基体对测定结果有较大影响,在试验中采用基体匹配消除干扰,在试验设计优化的仪器测定参数下,使用N36锆合金样品对方法的精密度与准确度进行验证,相对标准偏差(RSD,n=11)低于5%,加标回收率为93%～104%.所建立的方法快捷、简便、准确,满足核用N36锆合金中微量钼和铅元素的分析要求.

表层渗碳对N36锆合金管坯耐腐蚀性能的影响

将表面含轧制润滑油脂的N36锆合金管坯在560℃下通过真空热处理方式渗碳,将未经渗碳的N36管坯作为对照,逐层取样分析碳、氧、氮、氢元素含量,用高压釜在400℃、10.3MPa高温高压水蒸气环境下进行3d与14d的腐蚀试验,用扫描电镜观察显微组织。结果表明,表层碳含量增加会导致锆合金耐腐蚀性能下降,其原因在于碳含量增加导致锆合金热处理时析出的βNb第二相尺寸增大、团聚、分布不均匀,最终引起锆合金耐腐蚀性能下降。

Study on Corrosion Resistance of N36 Zirconium Alloy in LiOH Aqueous Solution

Zr-Sn-Nb-Fe alloys are one of the important directions for continuous improvement of zirconium alloys for high burn-up fuel assemblies. The corrosion resistance of Zr-Sn-Nb-Fe alloys is closely related to the alloying element and water chemical condition. To better understand the effect of Sn on corrosion resistance of Zr-Sn-Nb-Fe alloy, the normal N36 (Zr-1Sn-1Nb-0.3Fe) and low-tin N36 (Zr-0.8Sn-1Nb-0.3Fe) alloy sheets were prepared and tested in static autoclave in both of 0.01 mol/L LiOH and 0.03 mol/L LiOH aqueous solution at 360&deg;C and 18.6 MPa. The characteristics of the microstructure and oxide film of alloys were analyzed by TEM and SEM respectively. It was shown that that the corrosion transition of the normal N36 appears earlier and the weight gain is higher than the low-tin N36 in two corrosive mediums. The cracks paralleling to the interface of oxide/metal are formed in the fracture surface of the oxide film and the micrographs at the oxide film/substrate interface appear uneven morphology. With the increasing of corrosion gain, there are more parallel cracks in oxide film and the uneven morphology at the oxide film/substrate interface is more obvious.

N36锆合金包壳管的高温蠕变行为

研究了N36锆合金包壳管在温度为593~723 K、应力为60~160 MPa条件下的拉伸蠕变行为。结果表明,本试验条件下N36锆合金管材存在不同的蠕变变形机制。593~673K下低应力范围内,蠕变应力因子n约为3,蠕变表观激活能Qapp≈150 k J·mol-1,蠕变变形受位错的粘滞性滑移过程控制;高应力范围内蠕变应力因子n为5~6,蠕变激活能Qapp≈170 k J·mol-1,遵循典型的5次幂律蠕变规律,蠕变变形受位错攀移过程控制。在723 K时,高应力范围内发生幂律失效。N36锆合金包壳管表现为典型的Class A型合金蠕变特征,表现出与Zircaloy合金不同的蠕变规律。

氢对N36锆合金包壳管环向拉伸性能的影响

核反应堆运行期间燃料元件锆合金包壳发生腐蚀吸氢至延性降低,包壳延性降低的程度与吸收的氢含量有必然的联系。采用气相渗氢方法,获得了氢含量在100~1000μg/g范围的试样,开展了不同氢含量对N36锆合金管环向拉伸性能的影响研究。结果表明,当氢含量高于约150μg/g时,延伸率随着氢含量的增加而降低,当氢含量达到1000μg/g左右,延伸率降低到9%左右,仍保留有一定的延性;1000μg/g范围内的氢含量对N36锆合金包壳管拉伸强度和屈服强度的影响都很小。吸氢后N36锆合金包壳管环向拉伸的断裂模式与氢含量有直接的关系,随着氢含量的增加,断口形式表现为从45°剪切断裂到杯锥状断裂再到正向断裂的特征。

N36锆合金管棒材第二相研究

利用扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)及其能谱仪(EDS)附件,研究了N36锆合金成品管棒材中的第二相粒度、分布、成分及结构。结果表明,N36合金管材和棒材中的第二相平均尺寸差别不大,但二者的形貌及分布有较明显的差别。衍射及能谱分析表明,N36管棒材中的第二相主要为六方相的C14型Zr(Nb,Fe)_2 Laves相及少量的β-Nb,与文献报道的基本一致,但棒材中Laves相的Nb含量较低,晶格常数也较小。研究还表明,管材α-Zr基体中Nb含量与其固溶度较接近,质量百分数约为0.3%~0.4%,低于一般认为的0.6%。

退火方式对N36锆合金包壳管性能的影响

研究了退火方式对N36错合金包壳管再结晶程度、力学性能、收缩系数(CSR)、椭圆度以及腐蚀性能的影响。结果表明,在同一退火制度下,采用套管与不采用套管退火相比,管材再结晶程度、强度、CSR性能及短期腐蚀性能没有明显差异,伸长率有所下降;采用套管退火的管材椭圆度没有明显变化,而未采用套管进行退火的管材椭圆度增加明显。

N36特征化燃料辐照考验及性能评价

N36合金是我国自主研发的先进锆合金,将作为华龙一号反应堆燃料元件的包壳材料。为了研究N36合金包壳的堆内性能,验证其用于燃料元件包壳的可行性,以N36合金为包壳设计了N36合金特征化燃料组件,在秦山二期核电厂反应堆内进行了辐照考验,并在每循环末通过池边检查获取堆内性能数据,基于堆内数据对N36合金包壳的性能进行了分析和评价。本文研究提供了N36合金特征化燃料的辐照考验方案、N36合金特征化燃料的设计、堆内性能数据的获取方式以及N36合金与Zr-4合金堆内性能对比结果。

周向拉伸条件下的N36锆合金包壳管碘致应力腐蚀开裂

350℃下,对N36锆合金包壳管环形试样施加周向拉伸载荷,绘制碘浓度分别为102、103、104 Pa下的应力-延伸率曲线,研究包壳材料在碘气体(I2)环境下的碘致应力腐蚀开裂(I-SCC)情况。应力-延伸率曲线能够衡量锆合金包壳管发生I-SCC开裂的敏感性:当I-SCC发生时,在曲线中表现为没有明显的颈缩阶段。在应力-延伸率曲线上可以找出I-SCC裂纹萌生、扩展的相应发生阶段。I-SCC降低材料的延伸率和断裂能量,降低程度均随着碘浓度的升高而增加。I-SCC环形试样在周向拉伸过程中产生平行于断口的裂纹沟槽,裂纹起始阶段均为沿晶扩展形式。

N36锆合金相图计算初步研究

采用相图计算方法对N36锆合金(Zr-1Sn-1Nb-0.3Fe-0.11O)进行了初步研究,分析了相结构和相含量随温度的变化情况、合金元素变化对相结构和相含量的影响,计算了相转变温度、相变驱动力等,阐明了相图计算在锆合金研发中的应用前景,同时对N36锆合金的成分和热处理工艺优化提出了方向性建议。结果表明,计算结果虽与试验数据仍存在一定偏差,但总体来看相图计算技术可以用来指导锆合金成分和加工工艺优化。