【摘要】：鋯合金由于具有熱中子吸收截面低、優(yōu)良的抗腐蝕和力學性能等優(yōu)點而被廣泛用于核動力反應堆燃料包殼和其它堆芯結構材料。為了滿足核動力反應堆技術朝著提高燃料燃耗、反應堆熱效率和降低燃料循環(huán)成本等方向的發(fā)展要求,一方面,許多國家相繼開發(fā)了各自的新鋯合金,新鋯合金主要是從改變合金成分的角度來優(yōu)化其性能,Zr-Sn-Nb系鋯合金是綜合了Zr-Sn(Zr-2、Zr-4)和Zr-Nb(Zr-1Nb、Zr-2.5Nb)系合金優(yōu)點而發(fā)展起來的新型鋯合金,如美國的ZIRLO和X5A合金、俄羅斯的E635合金、日本的NDA合金及韓國的HANA-4合金,我國也研發(fā)出了屬于Zr-Sn-Nb系的N18和N36鋯合金;另一方面,很多研究者著眼于現有鋯合金加工工藝的優(yōu)化,例如,對已工程應用的M5及具有應用前景的X5A鋯合金包殼研究表明,采用“低溫加工工藝”能獲得細小、彌散分布的第二相,這有利于提高鋯合金堆內外的綜合性能。鋯合金的耐腐蝕、力學及物理等性能均與合金顯微組織(晶粒特征和第二相特征)密切相關,而合金元素(Sn、Nb等)和加工工藝對合金顯微組織有很大的影響,因此,研究合金成分及加工工藝對合金顯微組織的影響是提高其綜合性能的根本途徑。本論文以我國具有工程應用前景的N36鋯合金為基礎,通過改變Sn、Nb含量,來研究Zr-XSn-YNb-0.3Fe(X=1.2,Y=1;X=0.4,Y=0.65;X=0.4,Y=1)鋯合金顯微組織(晶粒特征和第二相特征)的演變;與此同時,選擇Zr-0.4Sn-1Nb-0.3Fe鋯合金為對象,研究加工及熱處理工藝對顯微組織的影響。運用光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡及透射電子顯微鏡等分析手段對Zr-XSn-YNb-0.3Fe鋯合金進行顯微組織分析,并系統(tǒng)跟蹤了合金各個加工工序及不同成分條件下合金顯微組織的演變過程,分析了加工工藝及成分對合金顯微組織的影響,并探討了鋯合金中第二相粒子的影響機制。通過以上研究,獲得了大量實驗數據,為鋯合金加工工藝改善及成分優(yōu)化提供了實驗依據和理論支持。對經相同工藝(620℃熱軋及后續(xù)一系列流程)處理的Zr-XSn-YNb-0.3Fe合金成品板材進行顯微組織(晶粒特征和第二相特征)分析,結果如下:(1)Sn和Nb含量的變化對成品板材晶粒尺寸影響不明顯,但Sn含量的增加有利于合金的再結晶。三種合金中均為等軸的再結晶態(tài)晶粒,且晶粒度均達到了12級。(2)三種成品合金板材相比,當Sn含量從0.4%增加到1.2%時,β-Nb第二相顆數量減少,Zr-Nb-Fe第二相中平均Nb/Fe比升高,第二相面密度減小而等效圓直徑變大。由于Nb參與形成第二相,當其含量從0.65%增加到1%時,第二相中β-Nb從無到有,Zr-Nb-Fe第二相中平均Nb/Fe比升高,第二相面密度增大而等效圓直徑變小。無論是調Sn還是調Nb,三種成品板材合金中都主要為密排六方結構的Zr(Nb,Fe)2,存在少量面心立方結構的(Zr,Nb)2Fe。選擇Zr-0.4Sn-1Nb-0.3Fe合金為研究對象,分別經620℃、650℃、700℃熱軋和480℃時效10h、50h后700℃熱軋及后續(xù)一系列加工熱處理后,對其進行顯微組織(晶粒特征和第二相特征)分析,結果如下:(1)采用低溫加工工藝(620℃熱軋)對合金晶粒組織和第二相能很好的控制,使得成品板材中得到完全再結晶的等軸晶粒,也使得第二相粒子細小、均勻的分布,且其平均尺寸均在100nm以下。(2)650~700℃熱軋的合金中第二相產生串狀及團簇現象,隨著熱軋溫度的升高,第二相分布更不均勻,且大小不一;時效改善了第二相分布的不均勻性,隨著時效時間延長,第二相平均直徑變大,尺寸兩極化明顯。620℃熱軋的合金中第二相主要為C14型密排六方結構的Zr(Nb,Fe)2,存在少量C15型面心立方結構(Zr,Nb)2Fe;熱軋溫度為650℃時,除Zr(Nb,Fe)2和(Zr,Nb)2Fe外,還觀察到β-Nb;熱軋溫度增加至700℃后,β-Nb數量增多;熱軋前480℃時效并沒有改變第二相的類型。從620~700℃,隨著熱軋溫度的升高,Zr-Nb-Fe第二相中平均Nb/Fe比先增加后減小;與700℃熱軋相比,熱軋前時效使Nb/Fe比進一步降低。通過對鋯合金中第二相影響因素的文獻調研,結合本試驗的研究結果分析,結果如下:(1)鋯合金中第二相特征(分布、類型、大小及形貌等)受到溫度、原子比、晶界遷移、元素擴散和第二相長大動力學等理論共同控制。(2)不同加工工藝條件下,Zr-Sn-Nb-Fe系鋯合金中第二相類型主要有以下幾種:Zr(Nb,Fe)2(HCP/FCC)、Zr(Fe,Cr)2(HCP/FCC)、Zr(Nb,Fe,Cr)2(HCP)和β-Nb(BCC)。(3)Zr-Sn-Nb-Fe系鋯合金優(yōu)化的加工工藝:①在β相區(qū)淬火;②選擇α相區(qū)進行熱加工;③在α相適中區(qū)中間退火;④選擇大變形冷加工工藝;⑤根據鋯合金具體成分及其用途等,在400℃~650℃之間最終退火。
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【學位授予單位】：成都理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TG146.414

【共引文獻】

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本文編號：2389899