鋯管棒

鋯管棒，是利用金屬鋯和其他金屬製得的合金管形材料。由於鋯的核性能和耐腐蝕性能優良，鋯合金管棒常常用於水冷反應堆的核燃料組件及堆內結構，是重要的核材料。純鋯管棒主要用來製造化工設備，因為價格昂貴用量還不多。常用的鋯管棒的化學成分及其用途見表，其中鋯錫合金管棒的用量較多。

基本介紹

• 中文名：鋯管棒
• 外文名：Zirconium tube rod
• 用途：核物理，核反應堆
• 常見類型：鋯錫合金

工藝特點

(1)鋯和氣體的親和力很強，它與氧、氫、氮分別在約200、300和400℃開始反應，較高的溫度下反應迅速，因而熔鑄、熱處理都要在真空爐內進行。在大氣中進行熱加工時，應採取妥善的保護措施，並且縮短高溫下的操作時間。

(2)鋯與模具的摩擦係數較高，容易粘附於模具表面；塑性變形的熱效應顯著，加工時要求有良好的潤滑條件。

(3)加工規範對產品的使用性能具有較敏感的影響。尤應注意控制成品前的冷加工和熱處理工藝，以滿足使用要求。

(4)管棒材的尺寸精度和表面質量要求很高。所以，工藝裝備應有良好的精度，工模具設計和製作應先進合理。

熔鑄

加工管棒用的鑄錠以海綿鋯為原料。核動力工程用材料的錠子，要以核級海綿鋯為原料，並應嚴格限制Hf、B、Cd、U等20多種雜質元素的含量。合金元素可以以高純金屬或母合金等形式加入。

海綿鋯和合金元素一起被壓製成棒狀電極，在真空自耗電極電弧爐內進行兩次熔煉，可獲得組織緻密、成分均勻的鑄錠。壓制棒狀電極之前，海綿鋯與合金元素應該大體上均勻混合。壓制的電極應有適當的緻密度。二次熔煉所得的錠子，表里各處的化學成分都應在規定的範圍之內。

熔鑄鋯錫合金時，為了避免低熔點合金元素(Sn)在第一次熔煉時可能超前流淌，合金元素以母合金的形式加入，比以純金屬加入更有利於錠的成分均勻。熔鑄鋯錫合金用的是Zr—Sn—Cr—Fe或Zr—Sn—Cr—Fe—Ni母合金。熔煉鋯鈮合金錠時，合金元素以Zr—Nb母合金的形式加入，比以純鈮加入較容易避免難熔元素(Nb)的偏析。

母合金通常用真空非白耗電極電弧爐煉製。真空自耗熔煉法製備的鋯合金錠一般重約幾百公斤，它的成分均勻性容易控制，也適合塑性加工的需要。當代熔鑄技術的進步已能生產超過1t重的均質大錠。

鋯及其合金感應熔煉鑄造技術已開始步入實用化階段。此法的技術困難是克服坩堝材質對鋯的污染，解決辦法有：採用複合塗層坩堝或冷坩堝感應熔煉以及採用凝殼鑄造等工藝措施。例如，脈衝反應堆用的鋯鈾合金棒既可用2～3次真空自耗熔煉鑄錠再擠壓的方法製取，也可採用真空中頻感應爐直接鑄棒。

塑性加工鋯合金管棒的毛坯用熱鍛、熱擠壓等方法製備，熱加工塑性良好，變形抗力不很高。

光錠鍛造前用箱式電爐加熱。為了減少高溫氧化，錠子可用玻璃塗層保護。當用燃油爐和煤氣爐加熱時，加熱應在中性或微氧化性氣氛下進行，避免火焰直射錠表面。大變形量的鍛造在β相(體心立方)進行，精鍛在α相(密集六方)的高溫區進行。鍛造設備選用空氣錘、蒸汽錘、油壓機均可。

管坯和棒坯採用包套擠壓法製取。常用紫銅做包套，以起改善潤滑和避免鋯高溫氧化的作用。鑄錠和鍛件都可以做擠壓坯。用箱式爐或工頻爐加熱，加熱溫度控制在α相的偏中高溫度區。

一般用錐形模擠壓，以保證擠出件的銅包皮連續與完整。擠前加熱的溫度上限是包套材質與鋯可能產生共晶物質的最低溫度(查Cu—Zr二元相圖可知)，以免惡化擠出件表面。例如，包銅套擠壓鋯及其合金時加熱溫度應低於885℃。進行高溫無包套擠壓時，可用玻璃浴爐或鹽浴爐加熱光錠。

管棒材成品用冷軋、旋轉鍛造、旋壓、拉拔等冷加工方法生產。鋯及其合金冷加工時的塑性良好，變形抗力中等，冷加工性能近似低碳鋼，但是難於潤滑而容易粘模，對拉拔坯料要進行表面磷化或氧化處理。為了得到理想的表面質量，管材一般不用拉拔而用冷軋法生產。

對於核燃料元件的包殼管，用量多要求高，可用二輥或多輥式冷軋管機組軋制。歐美各國多用二輥式冷軋管機生產鋯合金管。壓水堆用鋯合金包殼管的尺寸範圍是聲φ6～15mm×0.4～0.7mm。做燃料元件端塞的棒材通常也不用冷拔法生產，而且擠制的棒坯再經冷旋轉鍛造製得。端塞的直徑與包殼管的外徑相同，棒材成品規格應留有端塞機加工的裕量。

半成品管末次中間退火之後的終軋應以減壁為主，終軋減壁率與減徑率的比值(Q)必須大於1。對於Q>1的管子在織構分析時看到，金屬晶體六方點陣的C軸幾乎平行於管子直徑。

這種成品管子在反應堆內工作吸氫以後，取樣做橫截面金相分析時，可以看到氫化物的分布位向大體上呈切向。氫化物的這種切向分析有利於管子抗裂。而Q<1的管子，氫化物則近乎徑向分布。因此，管子末次中問退火後到成品規格前軋管的Q值應≥2～3。

熱處理

在真空度1×10-2～1×10-3 Pa的真空爐內進行。有保護塗層或包皮完整的厚尺寸工件才允許在大氣中快速熱處理。鋯錫合金管棒的中間退火溫度約700℃，再結晶大約始於500℃，於600℃時晶粒明顯變粗。成品管材的消除應力退火為450～500℃，成品管材的再結晶退火為530～600℃。

把鋯錫合金的最後一次中間退火改為加熱到β相或α相高溫區急冷，再經最終冷加工和成品熱處理得到的成品管材，抗腐蝕性能更優，其原因可能是成品管金相組織中的第二相細小彌散分布，並且增加了合金元素在α—Zr基體中的固溶含量。反應堆的運行情況表明，進行過上述熱處理的鋯錫合金管，作為核燃料元件的包殼管，可以緩和燃料包殼在反應堆運行中產生癤狀腐蝕的性狀。但是，因為管子淬火爐製造的困難和管子淬火後表面清潔處理的困難，半成品管子淬火在工業上不易實施，所以生產者往往只在鍛後或擠壓前，把塊狀坯料進行β相或α相高溫區加熱急冷處理，雖然這樣處理的效果稍差，但仍可最佳化耐腐蝕性能。

鋯鈮合金是熱處理強化合金，進行淬火—冷加工時效處理也可提高耐腐蝕性能。

產品性能檢驗 核用管棒材出廠前要考核化學成分、腐蝕性能、力學性能、表面質量、氫化物取向、金相組織、尺寸偏差、無損探傷等項指標，保證管棒材的化學成分、腐蝕性能的指標都相同，力學性能指標相近。鋯材的熱中子俘截面很小，是優良的核物理特性之一，由材質的化學成分予以保證。鋯錫合金管棒的熱中子俘截面不大於0.24b，純鋯管棒的不大於0.18b。此外，抗輻照生長的能力較優，是鋯材的又一核物理特性，它除了與反應堆工況有關之外，還與鋯材的冷加工量及晶體織構有關。

鋯錫合金管棒出廠前應取樣，在400℃、10.3MPa水蒸氣中進行3天或14天的腐蝕試驗，並測出3天的增重應小於22mg/dm2，14天增重應小於38mg/dm2，表面生成黑亮色的保護膜。出廠的再結晶態鋯錫合金管材的力學性能是：室溫強度極限≥413MPa，屈服強度≥241MPa，延伸率≥20%，高溫強度及消除應力態管材的力學性能指標則由供需方協商規定。鋯鈮合金管棒雖比鋯錫合金管棒的腐蝕增重量略大一些，而強度則較高些，也是壓水型核反應堆使用的理想材料。

試驗得知，鋯及鋯錫合金、鋯鈮合金在腐蝕試驗之後的樣品增重量通常可用經驗式來描述：Δm=Ktn，或lgΔm=K+nlgt，式中的Δm表示增重(mg/dm2)；t表示實驗時間，K和n為特定係數。