稀有金属 2006,(S1),137-139 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2006.s1.034
Zr-Sn-Nb-Fe-Cr合金的电子束焊接性能研究
李中奎 张建军 王文生 周青山 周军
西北有色金属研究院难熔金属研究所,西北有色金属研究院难熔金属研究所,西北有色金属研究院难熔金属研究所,西北有色金属研究院难熔金属研究所,西北有色金属研究院难熔金属研究所,西北有色金属研究院难熔金属研究所 陕西西安710016,陕西西安710016,陕西西安710016,陕西西安710016,陕西西安710016,陕西西安710016
摘 要：
研究了Zr-Sn-Nb-Fe-Cr锆合金真空电子束焊接样品的拉伸和抗腐蚀性能, 结果表明, 焊接样品室温和375℃的拉伸性能略低于母材;焊接样品在500℃过热蒸汽中腐蚀500 h未出现疖状腐蚀现象, 但腐蚀增重略大于母材;在400℃过热蒸汽中腐蚀320 d及360℃水中腐蚀520d, 样品焊缝处颜色均为黑亮, 未出现白色、棕色等腐蚀产物。根据实验结果拟合出了焊接样品的腐蚀增重曲线。
关键词：
Zr-Sn-Nb-Fe-Cr锆合金 ;电子束焊接 ;性能 ;
中图分类号： TL341;TG456.3
收稿日期： 2006-09-02
Study on Vacuum Electron Bean Welding Properties of Zr-Sn-Nb-Fe-Cr Zirconium Alloy
Abstract：
The mechanical properties and corrosion resistance of the sample made by vacuum electron bean welding of Zr-Sn-Nb-Fe-Cr zirconium alloy were investigated. The results show mechanical properties at room temperature and 375 ℃ temperature of welding sample were lower than matrix.The nodular corrosion can not be found of welding sample corroded in superheated steam for 500 h, but the weight gain was higher than matrix.The color of welding seams was black.The weight gain curves made by test result of welding sample were given.
Keyword：
Zr-Sn-Nb-Fe-Cr zirconium alloy;vacuum electron bean welding;properties;
Received： 2006-09-02
锆及锆合金在核反应堆内具有优异的综合性能
[1 ]
, 因此常被用作军事动力反应堆和民用核电反应堆燃料组件的包壳材料和结构材料。 燃料组件在组装时大多采用电子束焊接的方法
[2 ,3 ]
, 因此锆合金包壳材料焊接后的性能将直接影响到燃料组件的运行寿命, 基于此, 作者对课题组研制的Zr-Sn-Nb-Fe-Cr锆合金管材进行了真空电子束焊接, 并对合金焊接后的室温和375 ℃拉伸性能及静水腐蚀性能进行了研究, 以期为合金的工程应用提供依据, 为接近工程实际, 焊接后的样品均未进行任何热处理。
1 合金制备与实验
1.1 合金及合金管材的制备
根据表1所示的合金成分范围, 选取符合原子能级要求的海绵锆, 选择合格的合金元素, 按要求配制成Zr-Nb, Zr-Sn-Fe-Cr中间合金, 通过中间合金在电极中的合理的分布方式, 保证铸锭中合金元素的均匀分布并且含量符合设计要求, 电极经三次真空电弧熔炼, 得到了成分均匀的优质Zr-Sn-Nb-Fe-Cr合金铸锭。 铸锭的杂质元素成分符合
表1 Zr-Sn-Nb-Fe-Cr合金的成分Table 1 Chemical composition of Zr-Sn-Nb-Fe-Cr alloy
元素
Sn
Nb
Fe
Cr
Zr
含量/%
0.3~1.3
0.1~1.1
0.1~1.2
0.01~0.2
余量
ASTM标准对Zr-4合金的要求。
Zr-Sn-Nb-Fe-Cr合金管材的制备工艺主要流程为: 铸锭→锻造→均匀化处理→挤压→冷轧→中间退火→成品轧制→成品热处理→性能检测。
1.2 焊接实验
在LARA52型真空电子束焊机上进行焊接实验。 将制备的Φ 9.5 mm管材剪切后, 端面铣平、 清洗、 烘干, 进行自身对接焊, 焊室真空度: 10-1 Pa, 焊接电流: 15 mA。
管材焊接后表面平整, 焊缝附近只有轻微氧化。 对焊接后的样品焊缝进行探伤, 确保焊缝处无气孔、 夹杂等缺陷。
1.3 拉伸实验
在MTS810型材料试验机上进行合金管材焊接前后的拉伸实验, 测试焊接样品及母材在室温和375 ℃下的强度和断后延伸率。 焊接管材的焊缝位于样品的中部。
1.4 静水腐蚀实验
在不锈钢高压釜中进行管材焊接样品的静水腐蚀实验, 焊缝位于试样的中部, 腐蚀介质为去离子水, 比电阻大于0.5 MΩ·cm, pH=6~8。 腐蚀实验条件为360 ℃, 18.6 MPa水, 400 ℃, 10.3 MPa过热蒸汽和500 ℃, 10.3 MPa过热蒸汽。 360 ℃腐蚀时间达到520 d, 400 ℃腐蚀时间达到320 d, 500 ℃腐蚀时间为500 h。
2 结果与讨论
2.1 拉伸性能
合金管材样品焊接前后的室温和375 ℃拉伸性能列于表2。
表2 合金管材焊接前后样品的室温和375 ℃拉伸性能Table 2Mechanical properties of room temperature and 375 ℃ of tube sample
样品类别
实验温度/
拉伸强度/
屈服强度/
延伸率/
母材样品
20
510
295
30
焊接样品
20
500
315
30
母材样品
375
261
148
45
焊接样品
375
255
135
39
从表2中可以看出, 合金管材焊接样品的室温和375 ℃拉伸性能都略低于母材, 但结果还是令人满意的, 可以满足工程应用。 合金焊接后拉伸性能的下降, 是因为焊接后熔区及热影响的晶粒长大 (图1 (a) , (b) , (c) ) 而导致的。
合金管材焊接样品室温和375 ℃的拉伸断口均位于母材的热影响区, 对管材焊接样品的拉伸的断口进行了观察, 从断口的扫描电镜照片 (图2, 3) 上可以看出, 无论是室温还是375 ℃拉伸样品, 断口均布满了发达的韧窝, 属于韧性断裂。
2.2 腐蚀性能
对腐蚀实验后的焊接管材样品进行了观察, 发现焊接管材在500 ℃过热蒸汽中腐蚀时间达500 h后, 未出现疖状腐蚀现象, 在400 ℃过热蒸汽中腐蚀320 d及360 ℃水中腐蚀520 d后, 样品焊缝处的颜色均为黑亮, 未出现白色、 棕色等腐蚀产物。
根据实验数据拟合出的合金管材焊接前后的腐蚀动力学曲线如图4 (a) , (b) , (c) 所示。
从图4中可以看出, 在3种腐蚀条件下, 焊接样品的腐蚀增重均略大于未焊接管材, 说明合金管材在焊接后腐蚀性能有所下降, 但下降幅度并不是很大, 特别是在400, 360 ℃腐蚀条件下, 腐蚀时间均长达几百天, 但腐蚀增重和母材相比较仅仅增加了10%左右, 且未出现白色的氧化膜, 而Zr-4合金在400 ℃过热蒸汽中的耐腐蚀性能很差, 只要腐蚀3~14 d, 焊缝处就会出现白色的氧化膜
[3 ]
。
图1 焊接样品母材 (a) , 熔区 (b) 和热影响区 (c) 的金相组织 Fig.1 OM microstructure of (a) matrix, (b) molten zone and (c) heat influence zone in welding sample
图2 焊接样品室温拉伸断口 Fig.2 Tension fracture at room temperature of welding sample
图3 焊接样品375 ℃拉伸断口 Fig.3 Tension fracture at 375 degree temperature of welding sample
图4 管材在 (a) 500 ℃过热蒸汽、 (b) 400 ℃过热蒸汽和 (c) 360 ℃水中的增重曲线 Fig.4 Weight gain of tube sample
合金管材在焊接后腐蚀性能的下降, 可能是因为Zr-Sn-Nb-Fe-Cr合金在真空焊接熔化时, 饱和蒸汽分压高于锆的合金元素如Sn, Fe, Cr, 在焊接时会因蒸发而造成熔区中这些合金元素的贫化, 但因合金中Nb元素蒸汽分压低于Zr, 焊接熔化时不会大量挥发, 所以在熔区中又形成了成分不同于母体的新的含Nb锆合金, 从而使合金的腐蚀性能下降。 对焊接样品熔区的合金元素含量进行了能谱分析, 结果表明Sn含量损耗较大, 为20%~30%, 因Fe, Cr含量较低, 未能测出这两种元素含量的变化。 至于熔区中形成的新合金的成分还有待进一步的研究。
3 结 论
Zr-Sn-Nb-Fe-Cr 合金经电子束真空焊接后, 拉伸性能和腐蚀性能均略有下降, 但结果还是令人满意的。
参考文献
[1] 姚智敏译.核动力工程[M].北京:原子能出版社, 1988.42.
[2] 姚美意, 李强, 周邦新, 等.热处理对含Nb锆合金焊接试样显微组织和耐腐蚀性能的影响[J].核动力工程, 2004, 25:147.
[3] 周邦新, 李强, 苗志, 等.真空电子束焊接对锆合金耐腐蚀性能的影响热[J].核动力工程, 2003, 24:236.
