專(zhuān)利名稱(chēng):在(或有關(guān))金屬管退火方面的改進(jìn)的制作方法
本發(fā)明涉及活性金屬為基的冷加工管子的感應(yīng)加熱退火，特別是有關(guān)皮爾格冷軋鋯基管的感應(yīng)α-退火。
鋯-2和鋯-4是商品合金，主要用在水堆如沸水堆(BWR)、壓水堆(PWR)和重水堆(HWR)之類(lèi)的核反應(yīng)堆上。選擇這些合金是基于它們的核性能、機(jī)械性能和高溫水中的耐腐蝕性。
有關(guān)鋯-2和鋯-4合金的發(fā)展史綜述于以下文獻(xiàn)中斯坦來(lái)(Stanley)、凱斯(Kass)的“鋯合金(Zircaloy)的發(fā)展”，發(fā)表在美國(guó)材料試驗(yàn)學(xué)會(huì)(ASTM)的專(zhuān)門(mén)技術(shù)刊物368號(hào)(1964)3-27頁(yè)，及理考沸(Rickover)等的“核反應(yīng)堆用鋯合金發(fā)展史”，NR∶D∶1975。還有，美國(guó)書(shū)第2772964號(hào)，第3097094和3148055號(hào)，都是關(guān)于Zircaloy合金發(fā)展的。
商品核級(jí)鋯-2合金是一種鋯合金，含有1.2%至1.7%(重量)的錫，0.07%至0.20%(重量)的鐵，0.05%至0.15%(重量)的鉻和0.03%至0.08%(重量)的鎳。商品核級(jí)鋯-4合金也是一種鋯合金，含有1.2%1.7%(重量)的錫，0.18%至0.24%(重量)的鐵，及0.07%至0.13%(重量)的鉻。大多數(shù)商品核級(jí)鋯-2和鋯-4合金的化學(xué)上的技術(shù)條件基本上與ASTM B350-80(相應(yīng)于合金UNS R60802和R60804)布的要求相符。除了這些要求外，上述合金的氧含量一般要求在900到1600ppm之間，但對(duì)于用作燃料包殼的合金，其氧含量更為典型的值是1200±200ppm左右。有時(shí)也使用成分有變化的這類(lèi)合金，這些變化包括，在需要有高延展性時(shí)(例如用于格子的薄條)的低氧含量的合金。具有少而且肯定的添加硅和/或碳的鋯-2和鋯-4合金也已商品化。
通用的制造鋯合金(Zircaloy)(即鋯-2和鋯-4合金)包殼管的加工工藝包括將鑄錠熱加工成中間尺寸的坯料或圓坯;坯料β固溶處理;機(jī)加工成空心坯;將此空心坯在高溫α擠壓成空心圓筒形的擠壓坯;然后將此擠壓坯通過(guò)多道(通常2至5道，每道的面積收縮率平均為50%至85%左右)冷軋減縮過(guò)程減縮到實(shí)際上的最終包殼尺寸。每道冷軋前進(jìn)行一次α再結(jié)晶退火。冷加工成實(shí)際上為最終尺寸的包殼再進(jìn)行最終α退火。這道最終退火可以是消除應(yīng)力退火、部分再結(jié)晶退火或完全再結(jié)晶退火。所采用的最終退火類(lèi)型的選擇是基于設(shè)計(jì)者在技術(shù)條件中規(guī)定的燃料包殼的機(jī)械性能。在WAPD-TM-869(日期為11/79)和WAPD-TM-1289(日期為1/81)中，對(duì)這些工藝的實(shí)例有詳細(xì)說(shuō)明。常規(guī)加工的Zircaloy合金燃料包殼管的某些特性在羅斯(Rose)等的“Zircaloy合金包殼管的質(zhì)量與成本”(由英國(guó)核能學(xué)會(huì)出版的核燃料性能，1973年，頁(yè)數(shù)78.1-78.4)一文中有介紹。
在上述的管材常規(guī)加工方法中，α再結(jié)晶退火是在皮爾格冷軋工序之間進(jìn)行的。最終α退火通常是在大真空爐內(nèi)進(jìn)行，在此爐內(nèi)可放入一大批中間尺寸或最終尺寸的管子一齊進(jìn)行退火。對(duì)于這些成批的冷軋Zircaloy合金管進(jìn)行真空退火的溫度，其典型值包括無(wú)明顯再結(jié)晶的消除應(yīng)力退火，溫度為450到500℃;部分再結(jié)晶退火溫度為500到530℃;完全α再結(jié)晶退火溫度為530到760℃(然而，有時(shí)α完全再結(jié)晶退火在高達(dá)790℃進(jìn)行)。這些溫度可隨著被處理的Zircaloy合金管的冷加工度和實(shí)際成分而有所變化。在進(jìn)行上述的批料真空退火時(shí)，一般要求整個(gè)裝爐批料在選定溫度下保溫1至4小時(shí)左右，或更多些，然后這些退火管在真空或氬氣氛中冷卻。
以前的技術(shù)對(duì)于上述的批料真空α退火的本性所造成的一個(gè)問(wèn)題沒(méi)有充份涉及到。這個(gè)問(wèn)題就是，這類(lèi)批料真空退火過(guò)程所固有的傳熱條件很差，使得一大捆管子(例如包括600根左右的最終尺寸的燃料包殼管)的外層管在1或2小時(shí)左右達(dá)到選定的退火溫度，而在這一捆的中心的管子則經(jīng)過(guò)7至10小時(shí)(相當(dāng)于退火應(yīng)當(dāng)完成而冷卻開(kāi)始的時(shí)間)尚不能達(dá)到選定的加熱溫度，或剛剛達(dá)到該溫度，或只保溫半小時(shí)或更少。各個(gè)單根管子多次經(jīng)歷的這種實(shí)際退火循環(huán)中的差異能造成燃料包殼成品管，管子與管子間的顯著的性能差別。這種性能差別對(duì)于接受消除應(yīng)力退火或部分再結(jié)晶退火的管子大多都很顯著，并期望通過(guò)采用完全再結(jié)晶退火來(lái)減少這種差別。然而，當(dāng)燃料包殼設(shè)計(jì)要求具有消除應(yīng)力的性質(zhì)或部分再結(jié)晶的微觀(guān)結(jié)構(gòu)時(shí)，完全再結(jié)晶退火就不是一種可行的方案。在這些情況下，延長(zhǎng)真空退火周期是曾經(jīng)建議過(guò)的一種選擇方案，但是，因?yàn)檫@種熱處理本來(lái)時(shí)間已經(jīng)很長(zhǎng)，從裝入管子開(kāi)始加熱到冷卻結(jié)束已經(jīng)有16小時(shí)的時(shí)間，再要增加時(shí)間和能耗，這種方案的成本太高。
有關(guān)常規(guī)Zircaloy合金管加工技術(shù)及其改進(jìn)方案的另外實(shí)例在下述文獻(xiàn)中已有介紹“鋯-4合金管的性質(zhì)”，WAPD-TM-585;美國(guó)專(zhuān)利第3487675號(hào)，愛(ài)德斯特龍(Edstrom)等;美國(guó)專(zhuān)利第4233834號(hào)，馬廷拉西(Matinlassi);美國(guó)專(zhuān)利第4090386號(hào)，內(nèi)勒(Naylor);美國(guó)專(zhuān)利第3865635號(hào)，霍夫凡斯坦(Hofvenstam)等;安德森(Anderson)等的“中間或最終尺寸的Zircaloy合金管的β淬火“(核工業(yè)中的鋯，第五屆會(huì)議，ASTM，STP754(1982)，第75-95頁(yè));美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)第571122號(hào)，麥克唐納(Mc-Donald)等(第343787號(hào)的繼續(xù)申請(qǐng)，343787號(hào)于1982年1月29日提交，現(xiàn)已作廢);美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)第571123號(hào)，薩博(Sabol)等(第343788號(hào)的部分繼續(xù)申請(qǐng)，343788號(hào)于1982年1月29日提交，現(xiàn)已作廢);美國(guó)書(shū)第4372817號(hào)，阿密喬(Armifo)等;美國(guó)書(shū)第4390497號(hào)，羅森保姆(Rosenbaum)等;美國(guó)專(zhuān)利第4450016號(hào)，弗斯特龍德(Vesterlund)等;美國(guó)專(zhuān)利第4450020，弗斯特龍德;以及德國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)，公開(kāi)號(hào)2509510，弗斯特龍德，公開(kāi)于1983年1月14日。
本發(fā)明是有關(guān)50%至85%的冷加工Zircaloy合金管進(jìn)行α退火的工藝，其特點(diǎn)是對(duì)所述冷加工Zirzaloy合金管采用感應(yīng)加熱，快速加熱到預(yù)定的溫度，加熱速率大于每秒鐘300°F，然后將所述的Zircaloy合金管以至少每秒為5°F的速率進(jìn)行冷卻。
本發(fā)明也包括Zircaloy合金燃料包殼管加工工藝，其特點(diǎn)在于，中間尺寸管材的成形;將此中間尺寸管子在至少多道皮爾格冷縮步驟中冷軋到實(shí)際的最終尺寸;在每道所說(shuō)的皮爾格冷縮工序之間，采用感應(yīng)加熱到760℃至900℃的手段對(duì)所說(shuō)中間尺寸管子進(jìn)行再結(jié)晶退火，然后進(jìn)行冷卻，在最終的皮爾格冷軋工序后，采用感應(yīng)加熱到540℃至900℃的方法對(duì)實(shí)際上為最終尺寸的管子進(jìn)行最終退火，然后進(jìn)行冷卻。
本發(fā)明中的α退火的實(shí)踐對(duì)于上述先有技術(shù)來(lái)講，在退火時(shí)間和處理的均一性方面都有顯著的改進(jìn)。按本發(fā)明，工藝中采用感應(yīng)加熱，把被加工的鋯基制件快速加熱到高溫，然后將其冷卻。選擇使用的溫度以提供，或是消除應(yīng)力的結(jié)構(gòu)，或是部分再結(jié)晶結(jié)構(gòu)，或者是完全的α再結(jié)晶結(jié)構(gòu)。選擇少于1秒的在高溫下的保溫時(shí)間，并最好是保溫時(shí)間基本為零。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施之一，對(duì)于50到85%皮爾格冷軋Zircaloy合金的消除應(yīng)力、部分再結(jié)晶或完全再結(jié)晶退火，可以用感應(yīng)加熱線(xiàn)圈對(duì)冷軋狀態(tài)的管子進(jìn)行掃描來(lái)實(shí)現(xiàn)。此感應(yīng)線(xiàn)圈快速地把管子加熱到最高溫度T1，其加熱速率為a。從感應(yīng)線(xiàn)圈出來(lái)時(shí)，管子立即開(kāi)始冷卻，其冷卻速率為b，并至少冷卻到溫度為T(mén)1-75℃左右。控制T1和b使其滿(mǎn)足下列條件之一A，消除應(yīng)力退火.01.99>153.1k|b|[loge(AO/A)]2e-41842/T1]]>或，B，部分再結(jié)晶退火
.01.99<153.1k|b|[loge(AO/A)]2e-41842/T1≤.95.05]]>或，C，完全再結(jié)晶退火.95.05<153.1k|b|[loge(AO/A)]e-41842/T1]]>在上述條件中A0/A＝管子在冷軋前后的橫截面積之比;
K＝5×1020小時(shí)-1｜b｜＝冷卻速度，°K/小時(shí);
T1＝最高溫度，°K;
以及a＞＞b。
按本發(fā)明，感應(yīng)加熱所提供的快速加熱速率為每秒大于167℃(300°F)，推薦的是大于每秒444℃(800°F)，最佳速率大于每秒1667℃(3000°F)。
按本發(fā)明，推薦的冷卻速率是每秒從2℃(5°F)到556℃(1000°F);而更好的是每秒2℃(5°F)到278℃(500°F);最佳的冷卻速率是每秒從2℃(5°F)到56℃(100°F)。加熱速率最好是至少為冷卻速率的10倍。
按本發(fā)明，可以相信，70%到85%冷軋Zircaloy管的消除應(yīng)力處理，最好是用感應(yīng)加熱到540°至650℃，保溫時(shí)間基本為零，隨后以每秒10℃(20°F)至17℃(30°F)的速率來(lái)進(jìn)行冷卻。
按本發(fā)明，可以相信，70℃到85%冷軋Zircaloy管的部分再結(jié)晶最好是用感應(yīng)加熱到650℃至760℃，保溫時(shí)間基本為零，隨后以每秒10℃(20°F)至17℃(30°F)的速率冷卻。
按本發(fā)明，可以相信70到85%冷軋Zircaloy管的完全α再結(jié)晶，最好是用感應(yīng)加熱到760℃至900℃，保溫時(shí)間基本為零，隨后以每秒10℃(20°F)至17℃(30°F)的速率冷卻。
按本發(fā)明，我們發(fā)現(xiàn)，可以用快速感應(yīng)退火來(lái)代替冷加工Zircaloy制件的常規(guī)的α真空退火。
在Zircaloy管進(jìn)行感應(yīng)退火時(shí)，我們相信，通過(guò)控制管子從感應(yīng)線(xiàn)圈出來(lái)時(shí)的溫度，控制隨后的冷卻速率，每根管子都能以基本上相同的溫度經(jīng)歷進(jìn)行處理。這樣一種工藝應(yīng)當(dāng)使得每根管子內(nèi)部，管子與管子之間，批量之間都可獲得均勻的熱處理，這是因?yàn)槊扛茏拥臏囟冉?jīng)歷都能單獨(dú)地進(jìn)行控制和監(jiān)測(cè)。在我們的溫度循環(huán)中，退火工藝的時(shí)間是以秒計(jì)，相比之下，真空批料退火則是以小時(shí)計(jì)。其結(jié)果是，為了對(duì)較短的時(shí)間給與補(bǔ)償，要求采用比批料真空退火更高的溫度。我們發(fā)現(xiàn)，短時(shí)間的高溫感應(yīng)退火對(duì)Zircaloy成品管的性能，沒(méi)有不良的影響。
最好全部的加熱和高溫冷卻都在保護(hù)性氣氛中(例如，Ar、He或N2)進(jìn)行，以便盡量減少表面沾污。按我們的發(fā)明，每根管子用一個(gè)感應(yīng)加熱線(xiàn)圈來(lái)掃描，這就使管子上的每個(gè)部位循序(即依次)地經(jīng)歷這樣一次時(shí)間/溫度循環(huán)，在此循環(huán)中首先快速將它加熱到540至900℃，而最好是590至870℃，加熱速率大于每秒167℃(300°F)，更好的是大于每秒444℃(800°F)，最佳的是以每秒大于1667℃(3000°F)的速率加熱該材料。最好是具有如此之大的加熱速率，是因?yàn)檫@樣才允許管子迅速通過(guò)感應(yīng)線(xiàn)圈(管子通過(guò)的速度，例如大于或等于600英寸/分左右)，從而盡量減少所需要的感應(yīng)線(xiàn)圈長(zhǎng)度。
當(dāng)材料從感應(yīng)線(xiàn)圈出來(lái)時(shí)，它具有最高溫度，并且最好立即開(kāi)始冷卻。冷卻速度推薦值為每秒2℃(5°F)至556℃(1000°F)，更好的是每秒2℃(5°F)至278℃(500°F)，最佳的是每秒2℃(5F)至56℃(100°F)。當(dāng)材料冷卻到約低于最高溫度的75℃，而且最好是比最高溫度低150℃左右之后，材料即可較快地冷卻，因?yàn)樵谶@種比較低的溫度下，時(shí)間對(duì)溫度的效應(yīng)不會(huì)顯著增加消除應(yīng)力或再結(jié)晶的程度。下面會(huì)更加明顯，所希望的相對(duì)比較低的冷卻速率(與加熱速率相比)，將允許降低某個(gè)具體的退火循環(huán)中所要求的最高溫度。按本發(fā)明，已經(jīng)對(duì)時(shí)間/溫度的循環(huán)周期進(jìn)行了選擇以避免α到β的轉(zhuǎn)變。在高溫下短的時(shí)間期允許在常伴隨有α和β結(jié)構(gòu)的溫度范圍(從810至900℃)內(nèi)實(shí)現(xiàn)α退火，而不會(huì)產(chǎn)生觀(guān)察(用光學(xué)顯微鏡)到的α到β的轉(zhuǎn)變。
在進(jìn)一步描述本發(fā)明之前，為了進(jìn)行描述，對(duì)下列名詞定義如下1.α退火可以是任何退火工藝，其結(jié)果是消除應(yīng)力、部分再結(jié)晶或完全再結(jié)晶的結(jié)構(gòu)，在用光學(xué)顯微鏡檢驗(yàn)時(shí)，不會(huì)發(fā)現(xiàn)任何β相變的跡象產(chǎn)生。
2.消除應(yīng)力退火是指任何α退火工藝，其結(jié)果是產(chǎn)生占體積(或面積)1%以下的實(shí)際上為等軸再結(jié)晶的晶粒。
3.再結(jié)晶退火是指任何α退火工藝，其結(jié)果是產(chǎn)生占體積(或面積)1%到100%的實(shí)際上為等軸再結(jié)晶的晶粒。
4.部分再結(jié)晶退火是指任何α退火工藝，其結(jié)果是產(chǎn)生占體積(或面積)1%到95%的實(shí)際上為等軸再結(jié)晶的晶粒。
5.完全再結(jié)晶退火是指任何α退火工藝，其結(jié)果是產(chǎn)生占體積(或面積)95%以上的實(shí)際上為等軸再結(jié)晶的晶粒。
鑒于不希望在理論上受到約束，可以相信，對(duì)于本發(fā)明的理解、使用，以及從中獲得的有利結(jié)果能夠進(jìn)一步用以下的理論來(lái)說(shuō)明。
α退火處理對(duì)于冷加工Zircaloy合金微觀(guān)結(jié)構(gòu)的影響取決于退火時(shí)間t和退火溫度T。為了用一個(gè)單一的參數(shù)來(lái)描述一次退火循環(huán)，加扎羅里(Garzarolli)等(“最后退火對(duì)Zircaloy輻照前后機(jī)械性能的影響”，第6屆反應(yīng)堆技術(shù)中的結(jié)構(gòu)力學(xué)國(guó)際會(huì)議學(xué)報(bào)，c 2/1卷，巴黎，1981)建議采用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化退火時(shí)間，A，定義如下
A＝te-Q/RT(1)這里t＝時(shí)間(小時(shí))，Q＝激活能(卡.摩爾-1)R＝普適氣體常數(shù)(1987卡.摩爾-1°K-1)，以及T＝溫度(°K)。
上述這個(gè)參數(shù)對(duì)于特征化某一次退火循環(huán)對(duì)某一諸如恢復(fù)或再結(jié)晶之類(lèi)的特定過(guò)程的影響是有用的，假如該過(guò)程的合適的激活能是已知的話(huà)。Zircaloy再結(jié)晶的Q/R的實(shí)驗(yàn)值在40000°K到41550°K之內(nèi)，而同時(shí)對(duì)于所述Zircaloy合金消除應(yīng)力，具有不同的激活能應(yīng)是正常的。
當(dāng)在某溫度的時(shí)間與試氧加熱和冷卻所需要的時(shí)間可以相比時(shí)，更為通用的A值的形式是
這里T是時(shí)間t的函數(shù)，ti和tf是退火循環(huán)開(kāi)始和結(jié)束的時(shí)間。假定加熱速率a為常數(shù)(指在T0到T1之間)，在溫度T1的保溫時(shí)間t，冷卻速率b為常數(shù)(指在溫度T1至T2之間)，則A變成A=la∫T0T1e-Q/RTdT+te-Q/RT1+1b∫T1T1e-Q/RTdt........(3)]]>方程式(3)中的積分可重寫(xiě)為∫x0x1e-Q/RTdT=I(x1)-I(x0)(4a)]]>
其中I(x)=∫0xeQ/RTdT........(4b)]]>I(x)在X從750K(890°F)至1200°K(1700°F)范圍內(nèi)賦與數(shù)字值。用0.1°K的溫度增量來(lái)進(jìn)行數(shù)值積分，而Q/R值取40000°K，這值對(duì)Zirchloy再結(jié)晶是合適的。(對(duì)Zirchloy的恢復(fù)過(guò)程，沒(méi)有提供Q/R的實(shí)驗(yàn)值)。數(shù)值積分的結(jié)果綜合于表1。
為使表1中的數(shù)值積分具有更有用的形式，使其結(jié)果適合于一指數(shù)方程。為計(jì)算方程式(4)中的積分近似值而所得到的經(jīng)驗(yàn)方程式如下J(X)＝153.1e-41842/x(5)表1方程式(4b)和(5)的賦值溫度，°I(T)(°K) J(T)(°K) J(T)/I(T)°K (方程式4b) (方程式5)750 9.33×10-239.04×10-230.969800 2.97×10-212.95×10-210.995850 6.33×10-206.41×10-201.012900 9.68×10-199.87×10-191.020950 1.12×10-171.14×10-171.0221000 1.01×10-161.03×10-161.0181050 7.48×10-167.56×10-161.0111100 4.63×10-154.63×10-151.000
1150 2.45×10-142.42×10-140.9861200 1.14×10-131.10×10-130.970J(x)是在溫度范圍750°K(890°F)至1200°(1700°F)之間進(jìn)行賦值的(見(jiàn)表1)。在此溫度范圍內(nèi)，相對(duì)于I(x)的最大偏離僅為3%，表明J(x)對(duì)于方程式(4b)的賦值是一個(gè)合適的表達(dá)式。導(dǎo)出J(x)的目的是，為了計(jì)算對(duì)于退火參數(shù)的貢獻(xiàn)，而提供一個(gè)實(shí)用的表達(dá)式，此處的退火參數(shù)是指從試樣的線(xiàn)性加熱或冷卻中得到的退火參數(shù)。
采用方程式(4)和(5)允許將再結(jié)晶標(biāo)準(zhǔn)化退火時(shí)間，ARx，寫(xiě)成ARx= (J(T1)-j(To))/(a) +te-40000/T1+ (J(T2)-J(T1))/(b) (6)第一項(xiàng)是在加熱時(shí)對(duì)ARx的貢獻(xiàn)，第二項(xiàng)是在保溫期內(nèi)對(duì)ARx的貢獻(xiàn)，以及第三項(xiàng)是在冷卻時(shí)的貢獻(xiàn)。在T0＜＜T1和T2＜＜T1時(shí)，J(T0)和J(T2)的貢獻(xiàn)成為微不足道的，所以ARx可以改寫(xiě)成ARx= (J(T1))/(a) +te-40000/T- (J(T1))/(b) (7)應(yīng)當(dāng)指出，冷卻速率b是負(fù)值，所以在冷卻時(shí)間內(nèi)所有對(duì)A的貢獻(xiàn)(-J(T1)/b)將為正值。
按本發(fā)明，在下述實(shí)例中采用的感應(yīng)退火循環(huán)為快速加熱到一定溫度、保溫時(shí)間為零，及相對(duì)較慢的冷卻。實(shí)際上，微觀(guān)結(jié)構(gòu)的變化主要在管子冷卻時(shí)發(fā)生。為描述上述感應(yīng)退火循環(huán)，用方程式(7)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)退火時(shí)間ARx。假定加熱速率的公稱(chēng)值為1.7×106°K/小時(shí)(850°F/秒)，保溫時(shí)間t定為零(0.0)，并假定冷卻速率在-6.0×104到-4.0×104°K/小時(shí)(-30到-20°F/秒)之內(nèi)。(加熱速率是根據(jù)管子的溫升、感應(yīng)線(xiàn)圈長(zhǎng)度、和管子輸送速度來(lái)估算的)。七組退火溫度的ARx計(jì)算值綜合于表Ⅱ。機(jī)械性能和金相數(shù)據(jù)是在這七組退火溫度下獲得的。
表ⅡZircaloy包殼在感應(yīng)加熱時(shí)再結(jié)晶的標(biāo)準(zhǔn)化退火時(shí)間溫度°F ARx(方程7)，小時(shí) ARx(方程8)，小時(shí)1045 4.82-7.15×10-254.66-6.99×10-251105 3.29-4.88×10-243.18-4.77×10-241125 6.04-8.95×10-245.83-8.75×10-241175 2.58-3.83×10-232.50-3.74×10-231205 5.93-8.79×10-235.73-8.59×10-231250 1.95-2.89×10-221.88-2.83×10-221300 6.82-10.11×10-216.59-9.88×10-21對(duì)于賦值的感應(yīng)加熱循環(huán)，ARx的合適的近似計(jì)算如下ARx= (J(T1))/(｜b｜) = 153.1/(｜b｜) e-41842/T1(8)上述近似計(jì)算對(duì)于加熱速率大大高于冷卻速率，即a＞＞b的退火循環(huán)是有效的。對(duì)上述七種退火溫度和b值[從-6.0×104到-4.0×104°K/小時(shí)(-30到-20°F/秒)]，計(jì)算了方程式(8)。結(jié)果列于表Ⅱ。用方程式(7)計(jì)算出來(lái)的ARx值和上述結(jié)果比較后，表明方程式(8)是合理的近似。
計(jì)算感應(yīng)退火循環(huán)的標(biāo)準(zhǔn)退火時(shí)間的動(dòng)機(jī)是雙重的。其一，這樣可以把感應(yīng)退火的特征參數(shù)從2個(gè)(冷卻速率和退火溫度)減少成一個(gè)單一的參數(shù)。這就允許把不同的冷卻速率和退火溫度的影響按照一個(gè)單一的參數(shù)來(lái)定量處理，因而可以對(duì)不同的退火循環(huán)進(jìn)行直接比較。
第二個(gè)計(jì)算A值的理由是，它允許在短周期高溫感應(yīng)退火和常規(guī)的退火爐退火之間進(jìn)行比較。然而，需要回答的一個(gè)更為根本的問(wèn)題是，這樣一個(gè)參數(shù)實(shí)際上是否適合表征有明顯差別的熱處理的特征。例如，加熱爐退火包含幾小時(shí)的保溫，而按本發(fā)明的感應(yīng)退火本身就是瞬態(tài)的，在此瞬態(tài)過(guò)程中微觀(guān)結(jié)構(gòu)的變化主要在冷卻時(shí)發(fā)生。能夠采用一個(gè)單一的參數(shù)描述這樣一些不同的退火制度，這種做法本身就對(duì)于Zircaloy合金的恢復(fù)或再結(jié)晶取決于A，而不取決于退火行程的置信度提供了計(jì)量方法。
如前述，為計(jì)算消除應(yīng)力退火特性ASRA的有關(guān)Zircaloy合金恢復(fù)的Q/R經(jīng)驗(yàn)值尚未提供。然而，一旦具備恢復(fù)的Q/R值，按照用來(lái)求得ARX的推導(dǎo)，就能夠開(kāi)發(fā)出一個(gè)表示這個(gè)參數(shù)的式子。
正是ARx限定一個(gè)低限A＊Rx，大于此限，開(kāi)始再結(jié)晶，因而很清楚，對(duì)于表征消除應(yīng)力退火A是更加重要的參數(shù)，從這個(gè)意義上講，ARX確定了消除應(yīng)力退火和開(kāi)始再結(jié)晶之間的邊界。所以，用于消除應(yīng)力退火的溫度和冷卻速率必定使所得的退火參數(shù)低于A＊RX。
斯登布爾格(Steinberg)等(“描述冷加工和熱處理對(duì)Zircaloy包殼管機(jī)械性能影響的分析方法和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”，核工業(yè)中的鋯第六屆國(guó)際會(huì)議文集，ASTM STP824，富克林(Franklin)等編輯，美國(guó)材料試驗(yàn)學(xué)會(huì)，1984，106-122頁(yè))，導(dǎo)出了一個(gè)公式來(lái)表示再結(jié)晶的材料份額R隨退火參數(shù)ARX和冷加工φ的變化。它們的表達(dá)式如下Rl-R=kφ2ARX]]>(9)這里，ARX＝標(biāo)準(zhǔn)化退火時(shí)間，小時(shí)，K＝5.0×1020小時(shí)-1，φ＝loge(I/I0)＝loge(A0/A)，I0，A0＝冷縮前管長(zhǎng)和橫截面，
以及1，A-冷縮后管長(zhǎng)和橫截面。
用于方程式(9)的導(dǎo)出的數(shù)據(jù)取自加熱爐退火的冷加工值在0.51至1.44范圍內(nèi)的鋯-24管。用方程式(8)代替ARx，再結(jié)晶分?jǐn)?shù)在0.01到0.99范圍內(nèi)等高線(xiàn)作為退火溫度和冷卻速率的函數(shù)就可計(jì)算出來(lái)了。φ值是對(duì)我們的管材(0.374寸外徑×0.23寸管壁)最終的冷卻計(jì)算的，其值為1.70。等高線(xiàn)繪于圖1，該圖是作為感應(yīng)退火溫度和冷卻速率的函數(shù)的微觀(guān)結(jié)構(gòu)圖。
圖的左上部確定預(yù)期為完全再結(jié)晶(即＞99% Rx)的退火溫度和冷卻速率，而右下部確定基本上不發(fā)生再結(jié)晶(即＜1% Rx)的退火溫度和冷卻速率。圖的中心帶確定適合于再結(jié)晶退火(1-99% Rx)的參數(shù)。圖1中也包括一些長(zhǎng)方形塊，確定退火溫度(±10℃F)和冷卻速率(20至30°F/秒左右)，它們是7次感應(yīng)退火處理的特性。表Ⅵ(～160英寸/分)中列出的機(jī)械性能和金相數(shù)據(jù)都是針對(duì)這批感應(yīng)退火處理的。
圖1的意義在于，對(duì)于再結(jié)晶，以加熱爐退火材料所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，可預(yù)測(cè)感應(yīng)退火參數(shù)(退火溫度和冷卻速率)。等高線(xiàn)是在允許標(biāo)準(zhǔn)化退火時(shí)間ARx作為唯一參數(shù)而與退火制度無(wú)關(guān)的情況下計(jì)算出來(lái)的。用與圖1中內(nèi)容相符的感應(yīng)退火處理，從實(shí)驗(yàn)方面確認(rèn)了ARx的唯一性。在677℃(1250°F)退火和705℃(1300°F)退火的試樣中觀(guān)察到部分再結(jié)晶，而在652℃(1205°F)或其以下進(jìn)行退火的試樣則無(wú)再結(jié)晶的跡象，用光學(xué)顯微鏡或室溫拉伸性能來(lái)測(cè)定。需要采用更加靈敏的技術(shù)，比如透射電子顯微鏡(TEM)，來(lái)判明關(guān)于退火溫度～650℃(～1200°F)產(chǎn)生～1%的再結(jié)晶的推斷。盡管有這種不確定性，已經(jīng)斷明上述觀(guān)察結(jié)果與感應(yīng)退火的Zircaloy合金的預(yù)計(jì)的再結(jié)晶行為符合得相當(dāng)好。
觀(guān)察結(jié)果與預(yù)計(jì)的有很好的相符關(guān)系表明，一個(gè)單一的參數(shù)是適合于描述加熱爐退火和感應(yīng)退火的Zircaloy包殼的再結(jié)晶行為的。這樣論述的含義是，可以用單一的激活能(Q/R-4000°K或Q-79480卡/摩爾)來(lái)描述很寬的退火溫度范圍的再結(jié)晶，這就提出，再結(jié)晶機(jī)理對(duì)于加熱爐退火和感應(yīng)退火兩者都是相同的。
雖然還沒(méi)有一個(gè)ASRA的表達(dá)式，但是從ARX的導(dǎo)出，這一點(diǎn)是很清楚的，不論是消除應(yīng)力或是再結(jié)晶的感應(yīng)退火過(guò)程中重要的控制參數(shù)是，管子從感應(yīng)圈出來(lái)時(shí)的溫度和隨后的冷卻速率(見(jiàn)方程式8)。滿(mǎn)有意思的是，這兩個(gè)參數(shù)都不直接地與生產(chǎn)速度有關(guān)。這意味著，假如退火溫度和冷卻速率保持相同，則以160英寸/分感應(yīng)退火或以600英寸/分感應(yīng)退火的管子，在物理性能上預(yù)期是相同的。圖2給出性能與生產(chǎn)速變無(wú)關(guān)的證明，在此圖上，以75至80英寸/分(+)、134至168英寸/分(x)和530至660英寸/分(△)退火的管子的屈服強(qiáng)度(YS)和抗拉強(qiáng)度(UTS)作為退火溫度的函數(shù)繪出。三組數(shù)據(jù)之間有良好的一致性。
上述結(jié)果表明，生產(chǎn)速度對(duì)于感應(yīng)加熱時(shí)發(fā)生的金相變化沒(méi)有顯著的影響。以下實(shí)例清楚地顯示出按本發(fā)明的感應(yīng)處理可以應(yīng)用于Zircaloy合金管材的消除應(yīng)力、部分再結(jié)晶和完全再結(jié)晶。這些實(shí)例的提供是為了進(jìn)一步闡明本發(fā)明，且純屬本發(fā)明的實(shí)例。
最終尺寸(外經(jīng)0.374英寸×管壁0.023英寸)的鋯-4管的感應(yīng)退火是用射頻(RF)發(fā)電機(jī)進(jìn)行的，其最大額定功率為25KW。在射頻(RF)范圍內(nèi)的頻率適合于通過(guò)管壁加熱薄壁Zircaloy合金管。如圖3所示，在氬氣氛中管1被旋轉(zhuǎn)地送入多匝感應(yīng)線(xiàn)圈5來(lái)進(jìn)行感應(yīng)退火。
當(dāng)管子1從感應(yīng)線(xiàn)圈5出來(lái)時(shí)，管子的溫度用一個(gè)IRCON G系列高溫計(jì)10進(jìn)行監(jiān)測(cè)，高溫計(jì)的溫度范圍是427℃(800°F)到8710℃(1600°F)。輻射率的標(biāo)定是先將管子加熱到用IRCON R系列雙色高溫計(jì)測(cè)量為705℃(1300°F)，再將G系列的高溫計(jì)的讀數(shù)調(diào)到705℃。最后得出的輻射率值在0.30到0.35范圍之內(nèi)。這些高溫計(jì)由IRCON公司一斯奎爾D(Sguare D)公司的子公司(位于伊利諾州的尼爾斯Niles)供應(yīng)。
感應(yīng)線(xiàn)圈5安在一個(gè)鋁盒15內(nèi)，此盒作為惰性氣體箱。在感應(yīng)線(xiàn)圈5的入口處設(shè)有一根帶有聚四氟乙烯插桿的導(dǎo)向管20，以保持管子1相對(duì)于感應(yīng)圈的位置。在氬氣管24和水冷冷卻管26之后，還設(shè)第二根導(dǎo)向管22。管子的另外支承由兩個(gè)安裝在箱體入口和出口處的三爪可調(diào)整卡盤(pán)來(lái)提供。爪頭是1.75英寸直徑的輥?zhàn)?，這輥?zhàn)涌墒构茏幼杂傻匦D(zhuǎn)通過(guò)卡盤(pán)，同時(shí)仍然提供管子的中間支承。設(shè)在入口處的輥?zhàn)邮蔷鬯姆蚁┑?，而在出口處的輥?zhàn)邮悄透邷氐沫h(huán)氧樹(shù)脂。在接近箱體入口處，有固定成套的3個(gè)自由轉(zhuǎn)動(dòng)的輥?zhàn)?2，和兩個(gè)成套的自由轉(zhuǎn)動(dòng)的輥?zhàn)?設(shè)在離箱體更遠(yuǎn)處，未示出)，對(duì)于管子1提供另外的支承。
設(shè)在感應(yīng)線(xiàn)圈出口處的水冷卻管26可在管子與空氣接觸前冷卻Zircaloy管(注意水與Zircaloy管不接觸)。在冷卻管內(nèi)部以及在惰性氣體箱內(nèi)部都設(shè)有一根氬氣管，以盡量減少管3外徑表面的氧化。然而，利用現(xiàn)有系統(tǒng)不可能使管子充分冷卻，因?yàn)楫?dāng)管子從箱體出來(lái)時(shí)，在管子外徑表面上生成了薄薄的氧化膜。采用對(duì)外徑表面的酸洗和拋光，把氧化膜除掉。在Zircalog管內(nèi)部進(jìn)行氬氣驅(qū)氣，以防止在內(nèi)徑表面上形成氧化膜。
用兩臺(tái)可變速度的直流(DC)電動(dòng)機(jī)35和40來(lái)傳遞和轉(zhuǎn)動(dòng)管子。這兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)設(shè)在退火箱體的出口一邊。這兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)安裝在由傳遞電動(dòng)機(jī)35和齒輪組驅(qū)動(dòng)可沿著軌道50移動(dòng)的鋁板45上，。第2臺(tái)變速直流(DC)電動(dòng)機(jī)40具有一個(gè)卡盤(pán)42，它作用于管子并使管子的轉(zhuǎn)動(dòng)達(dá)到2500轉(zhuǎn)/分(RPM)。一對(duì)自由轉(zhuǎn)動(dòng)的輥?zhàn)?0，安裝在鏈52上，也由電動(dòng)機(jī)35驅(qū)動(dòng)，它們支承管子1，并隨著管1移動(dòng)。
冷軋狀態(tài)的鋯-4包殼的初次感應(yīng)加熱處理在額定的傳遞速度80英寸/分下進(jìn)行。感應(yīng)加熱參數(shù)綜合于表Ⅲ。室溫抗拉性能的測(cè)量是根據(jù)退火管的模截面進(jìn)行的，該管退火溫度在593℃(1100°F)和649℃(1200°F)之間，如表Ⅳ所示。
經(jīng)過(guò)對(duì)管子的操作系統(tǒng)和感應(yīng)線(xiàn)圈設(shè)計(jì)的適當(dāng)改進(jìn)，進(jìn)行了第二輪感應(yīng)退火，傳遞速度為134和168英寸/分。感應(yīng)加熱參數(shù)綜合于表Ⅲ。典型的感應(yīng)退火是保持功率不變，通過(guò)調(diào)節(jié)管子的速度以獲得所要求的退火溫度。
得到24根全長(zhǎng)(155英寸長(zhǎng))的冷軋管子。在我們的實(shí)驗(yàn)中，由于管子操作系統(tǒng)的限制，只允許管子的一部分(約88英寸)經(jīng)受感應(yīng)退火。感應(yīng)退火溫度范圍從521℃(970°F)到732℃(1350°F);沿管子長(zhǎng)度的溫度控制一般在±10°F。每根管子的退火溫度、傳遞速度，和轉(zhuǎn)動(dòng)速度都綜合于表Ⅴ。
通過(guò)冷卻管的氬氣排氣，管子的冷卻是以輻射散熱和強(qiáng)迫對(duì)流實(shí)現(xiàn)的。冷卻速率以下述方法來(lái)估算。在把管子加熱到一定溫度并切斷感應(yīng)線(xiàn)圈的電源后，使管子受熱部位在高溫計(jì)下面重新定位，并監(jiān)測(cè)溫度隨時(shí)間的變化。以此法測(cè)得的冷卻速率在20至30°F/秒范圍內(nèi)。在感應(yīng)退火過(guò)程中，除了維持固定的氬氣流量和冷卻管的幾何尺寸之外，沒(méi)有努力采取其它措施去控制(或測(cè)量)冷卻速率。
經(jīng)過(guò)感應(yīng)退火之后，對(duì)管子進(jìn)行最后的精加工處理和退火后的超聲波(UT)檢查。酸洗并沒(méi)有把外徑表面上的氧化膜完全除掉。然而，經(jīng)過(guò)檢查，5根經(jīng)過(guò)打磨和拋光的管子的表面是合格的。
室溫抗拉性能是在7根退火管[退火溫度從563℃(1045°F)到705℃(1300°F)]上取樣測(cè)定的。自每根管子取3個(gè)試樣進(jìn)行抗拉試驗(yàn)，以便評(píng)價(jià)沿該管長(zhǎng)度方向上的變化，同時(shí)也為了建立抗拉性能隨退火溫度變化的關(guān)系。三個(gè)試樣分別代表退火管長(zhǎng)度上的頭部、中間和尾部。管子在酸洗后的狀態(tài)下進(jìn)行試驗(yàn)。制備了代表七種退火溫度的金相試樣，以便把微觀(guān)結(jié)構(gòu)與相應(yīng)的抗拉性能相對(duì)應(yīng)。這些結(jié)果示于表Ⅵ。三批鋯-4批料的鑄錠化學(xué)成分在表Ⅶ中給出。
表Ⅲ
感應(yīng)退火的感應(yīng)線(xiàn)圈設(shè)計(jì)和頻率(管外徑0.374英寸×管壁0.023英寸)生產(chǎn)速度的額定范圍(英寸/分) 75.80 134-168 ～530-660銅管外徑，英寸 1/4 5/16 5/16感應(yīng)線(xiàn)圈長(zhǎng)度，英寸 1.7 3.25 3.2感應(yīng)線(xiàn)圈內(nèi)徑，英寸 1.2 1.125 0.75感應(yīng)線(xiàn)圈匝數(shù)， 4 8 8頻率，KHz 325 375 385表Ⅳ鋯-4管批料4377的感應(yīng)熱處理管子 額定溫度 速度 轉(zhuǎn)/分℃ (°F) 英寸/分3 593 (1100) 80.0 9004 632 (1170) 76.5 9002 649 (1200) 75.0 900表Ⅴ鋯-4管批料M5595的感應(yīng)熱處理管子 額定溫度 速度 轉(zhuǎn)/分℃ (°F) 英寸/分23 521 (970) 168.4 60022 538 (1000) 148.6 600＊24 563 (1045) 151.9 6007 568 (1055) 170.3 60014 588 (1090) 165.2 600-400＊9 596 (1105) 164.6 60015 599 (1110) 163.4 250
5 604 (1120) 161.0 600＊6 607 (1125) 161.0 6002 618 (1145) 156.7 60010 621 (1150) 157.6 60018 621 (1150) 160.8 60025 627 (1160) 160.0 60017 632 (1170) 157.5 600＊16 635 (1175) 155.7 40020 646 (1195) 153.2 90011 649 (1200) 150.1 600＊4 652 (1205) 148.6 60019 666 (1230) 150.4 600＊8 677 (1250) 144.1 60013 701 (1295) 140.9 6003 704 (1300) 139.7 600＊12 704 (1300) 139.7 6001 732 (1350) 133.6 600＊這些管子是用室溫抗拉試驗(yàn)和光學(xué)顯微鏡來(lái)評(píng)定的。
表Ⅵ感應(yīng)退火鋯-4包殼的室溫拉伸性能管子 溫度°F 屈服強(qiáng)度 抗拉強(qiáng)度 伸長(zhǎng)率 冶金條件Ksi Ksi %冷軋狀態(tài) - 125.8 132.0 - CW(4377)批料4377(～80英寸/分)3 1100 95.7 123.0 15.0 SRA
4 1170 92.6 121.4 16.5 SRA2 1200 91.8 120.7 18.0 SRA批料M5595(～160英寸/分)24-1 - - - - SRA24-2 1045 98.0 123.9 13.0 SRA24-3 1045 98.8 124.1 15.5 SRA9-1 1105 95.8 122.7 16.0 SRA9-2 1105 95.6 122.3 13.5 SRA9-3 1105 95.6 122.7 16.0 SRA6-1 1125 95.0 122.3 16.0 SRA6-2 1125 94.6 122.4 13.5 SRA6-3 1125 94.4 122.7 16.0 SRA16-1 1175 92.0 121.5 15.0 SRA16-2 1175 91.6 120.7 13.5 SRA16-3 1175 92.4 121.5 16.5 SRA4-1 1205 91.0 120.0 17.5 SRA4-2 1205 89.5 118.2 15.0 SRA4-3 1205 90.6 120.0 17.5 SRA8-1 1250 85.3 113.5 14.0 PRA8-2 1250 86.9 116.3 17.0 PRA8-3 - - - - -12-1 1300 70.3 94.0 29.5 PRA12-2 1300 69.7 93.2 20.5 PRA12-3 1300 71.7 96.4 23.0 PRA注1.檢驗(yàn)了管24和8的溫度卡片后證實(shí)，拉伸試樣24-1和8-3不是從感應(yīng)退火包殼的特征區(qū)域內(nèi)切取的。
2.表Ⅵ和表Ⅸ所示拉伸試驗(yàn)是按ASTME-8進(jìn)行的。采用2英寸測(cè)量長(zhǎng)度，使用0.005英寸/分的十字頭速度，直到屈服，然后用0.050英寸/分的十字頭速度。
3.SRA-消除應(yīng)力退火PRA-部分再結(jié)晶退火CW-冷加工。
第三批冷軋的最終尺寸的鋯-4燃料包殼(批料6082，見(jiàn)表Ⅶ)進(jìn)行了最終的感應(yīng)退火。
在這組試樣中有14根冷軋管以額定生產(chǎn)速度600英寸/分進(jìn)行感應(yīng)退火，采用了表Ⅶ中第3行到出的感應(yīng)線(xiàn)圈和頻率。表Ⅶ中給出消除應(yīng)力或部分再結(jié)晶退火管的感應(yīng)退火參數(shù)。
利用一種與圖3相似的系統(tǒng)，對(duì)管子按順序進(jìn)行退火。用一根IRCON(G系列)高溫計(jì)監(jiān)測(cè)管子溫度。所報(bào)告的溫度相應(yīng)于標(biāo)定在高溫計(jì)上的輻射率0.29。全部退火在氬氣氣氛中進(jìn)行。
退火后，所有管子可以用超生波檢查，并接受常規(guī)的最終精加工處理。感應(yīng)退火管子的抗張性能示于表Ⅸ。
表Ⅸ感應(yīng)退火參數(shù)(0.374英寸外徑×0.023英寸壁厚)管子 額定溫度 速度 轉(zhuǎn)/分℃ (°F) 英寸/分6-2 704 (1300) 530 11006-3 704 (1300) 536 11006-4 704 (1300) - 11006-5 677 (1250) 551 12006-6 616 (1140) 594 12006-7 643 (1190) 574 12006-8 599 (1110) 619 12006-9 579 (1075) 640 12006-10 693 (1280) 540 12006-11 610 (1230) 610 1200
6-12 634 (1175) 588 12006-13 624 (1155) 581 12006-14 710 (1310) 526 12006-15 566 (1050) 660 1200表ⅨA.感應(yīng)退火鋯-4包殼(批號(hào)6082)的室溫拉伸性能管子 溫度 屈服強(qiáng)度 抗拉強(qiáng)度 伸長(zhǎng)率 冶金條件℃ °F Ksi＊Ksi %6-15 566 (1050) 97.1 122.2 14.5 SRA98.4 122.8 14.56-8 599 (1110) 94.2 120.8 15.0 SRA94.7 121.0 15.56-13 624 (1155) 92.8 121.2 16.5 SRA93.1 120.9 15.56-7 643 (1190) 90.7 119.1 16.0 SRA91.1 119.5 16.56-5 677 (1250) 87.4 117.2 17.0 SRA/PRA87.8 117.0 16.5B.725°F拉伸性能6-15 566 (1050) 57.5 68.1 18.5 SRA6-8 599 (1110) 56.3 68.1 16.0 SRA6-13 624 (1155) 56.1 68.5 18.5 SRA6-7 643 (1190) 55.2 68.1 18.0 SRA6-5 677 (1250) 54.0 67.4 18.0 SRA/PRA＊Ksi-千磅/英寸上述實(shí)例均是真對(duì)消除應(yīng)力和部分再結(jié)晶感應(yīng)退火的。下述實(shí)例針對(duì)完全再結(jié)晶退火。
鋯-4管的常規(guī)加工工藝包括冷軋至公稱(chēng)1.25英寸外徑×0.2英寸管壁，然后進(jìn)行在1250°F保溫約3.5小時(shí)常規(guī)的真空中退火，這道真空退火可產(chǎn)生再結(jié)晶晶粒結(jié)構(gòu)，具有ASTM規(guī)定的平均晶粒度7或更細(xì)，典型地大約是ASTM 11級(jí)到12級(jí)。該材料然后冷軋至公稱(chēng)0.7英寸外徑×0.07英寸管壁。在這時(shí)，管材通常接受另一次真空中間退火。然而本發(fā)明以完全再結(jié)晶感應(yīng)退火取代這道真空退火。冷軋管在相似于圖3所示的系統(tǒng)中進(jìn)行感應(yīng)退火，但在有的部位做了必要的變動(dòng)，以便接受外徑更大的管子。感應(yīng)加熱是在頻率為10KHz時(shí)進(jìn)行的。采用的感應(yīng)線(xiàn)圈有6匝，由1/4英寸×1/2英寸的矩形截面管子組成(沿感應(yīng)線(xiàn)圈的徑向?yàn)?/2英寸)。感應(yīng)線(xiàn)圈內(nèi)徑為1/2英寸，外徑為2又1/2英寸以及長(zhǎng)度為3.25英寸左右。完全再結(jié)晶退火是用表Ⅹ中列出的兩組工藝參數(shù)來(lái)進(jìn)行。這樣，管子的加工過(guò)程基本上可通過(guò)冷軋及隨后的一次常規(guī)真空最終退火或者按本發(fā)明，最好是采用一道感應(yīng)最終退火來(lái)完成。還預(yù)料到，另外的中間真空退火也可以由本發(fā)明的感應(yīng)退火來(lái)代替。事實(shí)上，可預(yù)期，全部的真空退火均可由感應(yīng)退火來(lái)代替。
表Ⅹ中間尺寸管子(0.7英寸外徑×0.07英寸管壁)的完全再結(jié)晶感應(yīng)退火管子 公稱(chēng)溫度 速度 轉(zhuǎn)/分℃ (°F) 英寸/分9-7 871 (1600) 54.8 5009-2 816 (1500) 60.0 5009-9 760 (1400) 65.0 500在最后一組具體實(shí)例中，冷軋狀態(tài)的鋯-4管(批號(hào)4690，1.25英寸外徑×0.2英寸管壁，化學(xué)成分見(jiàn)表ⅩⅤ)是采用相似于圖3所示的系統(tǒng)進(jìn)行感應(yīng)加熱β處理的。在此情況中，所使用的感應(yīng)線(xiàn)圈有5匝，由1/4英寸×1/2英寸矩形截面的管子(沿徑向?yàn)?/2英寸的尺寸)作成。感應(yīng)線(xiàn)圈的內(nèi)徑為2英寸，外徑為3英寸，長(zhǎng)度約為2又5/8英寸。將此感應(yīng)圈與一個(gè)10KHz的發(fā)電機(jī)相連接，此發(fā)電機(jī)的最大功率為150KW。用一個(gè)冷水噴淋淬火環(huán)代替氬氣管和水冷冷卻管。淬火環(huán)具有10個(gè)均勻分布的小孔，這些小孔分布在該環(huán)的內(nèi)園周上，并使水以2加侖/分的流量噴射到被加熱的管子表面上，噴射冷水是在管子從感應(yīng)圈出來(lái)后距管表面約3.3英寸進(jìn)行的。粗略估計(jì)，這種淬火裝置所產(chǎn)生的淬火速率大致為每秒900到1000℃。
此外，取下了第二導(dǎo)向管22，用在箱體內(nèi)放置在出口邊的調(diào)節(jié)卡盤(pán)30代替。采用這種系統(tǒng)，對(duì)3根中間尺寸的管子進(jìn)行了β處理，其參數(shù)示于表Ⅺ。
表Ⅺ感應(yīng)β處理的參數(shù)管子 感應(yīng)線(xiàn)圈出口處 速度 在高溫下的 轉(zhuǎn)/分的溫度 (英寸/分) 時(shí)間秒＊℃ (°F)7 1082 (1980) 17.1 11.6 7508 1099 (2010) 17.1 11.6 8208A 1038 (1900) 18.0 11.0 820＊指感應(yīng)圈出口處與淬火冷水噴射之間的時(shí)間這些經(jīng)過(guò)β處理的管子隨后冷軋至0.7英寸外徑×0.07英寸管壁，對(duì)其中的一些管子又進(jìn)行了感應(yīng)再結(jié)晶退火，所采用的設(shè)備就是我們?cè)谇懊娴母袘?yīng)中間退火實(shí)例中所描述過(guò)的。所用的退火參數(shù)列于表Ⅻ。
表Ⅻβ處理和冷軋后的中間再結(jié)晶退火管子 公稱(chēng)溫度 速度 轉(zhuǎn)/分
℃ (°F) 英寸/分7-2 838 (1540) 54.1 7007-3 871 (1600) 54.5 7007-4 793 (1460) 57.4 7008-1 899 (1650) 47.6 7008 A-1 760 (1400) 60.8 7008 A-4 860 (1580) 50.9 700這些管子然后冷軋至最終的燃料包殼尺寸(0.374英寸外徑×0.023英寸管壁)。這些管子然后可以采用本發(fā)明中的感應(yīng)退火技術(shù)進(jìn)行消除應(yīng)力、部分再結(jié)晶或完全再結(jié)晶。
材料試樣經(jīng)受了最終的真空消除應(yīng)力退火(大約在870°F保溫7.5-9.5小時(shí)左右)。表ⅩⅢ示出這些材料在500℃，1500psi和24小時(shí)的腐蝕性能。試驗(yàn)后全部試樣均顯示出基本上為黑色連續(xù)氧化膜(即在大部分表面上無(wú)節(jié)瘤斑)。
表ⅩⅢ500℃的腐蝕增重管子 中間退火溫度 增重酸洗 拋光7-2 1540°F 73.1 113.8//(838℃) 64.7 109.67-3 1600°F 63.3 114.2//(871℃) 65.0 123.97-4 1460°F 60.5 88.1//(793℃) 60.3 85.28-1 1650℃F 71.4 116.2//(898℃) 71.5 112.5
8 A-1 1400°F 64.0 103.5//(760℃) 62.6 98.08 A-4 1580°F 71.4 132.6//(860℃) 68.1 126.9將一根中間尺寸的鋯-2管(1.12英寸外徑×0.62英寸內(nèi)徑)在相似情況下進(jìn)行了β處理;冷軋，按本發(fā)明的感應(yīng)退火，溫度在1560°F左右(0.67英寸外徑×0.1英寸管壁)，再冷軋至最終尺寸，然后進(jìn)行真空消除應(yīng)力退火(最終尺寸-0.482英寸外徑×0.418英寸內(nèi)徑)。這個(gè)材料的試樣然后在500℃，1500psi蒸汽中進(jìn)行24小時(shí)腐蝕試驗(yàn)。試驗(yàn)后的撿驗(yàn)表明，全部試樣在其大部分表面上都顯示出基本上為黑色連續(xù)的氧化膜。稱(chēng)重結(jié)果示于表ⅩⅣ。
表ⅩⅣ鋯-2腐蝕試驗(yàn)結(jié)果試樣狀態(tài)增重，mg/dm2酸洗 61.1酸洗 65.5拋光 108.6拋光 111.2可以相信，采用本發(fā)明的感應(yīng)退火作為β處理后的中間和/或最終退火，所得結(jié)果是，粗化的沉積物比β處理后用常規(guī)真空退火的要少。所以，預(yù)計(jì)在β處理后采用本發(fā)明的感應(yīng)退火代替常規(guī)退火，可以使Zircaloy合金的腐蝕性質(zhì)得到改善。
表ⅩⅤ鑄錠化學(xué)成分Sn 1.47-1.56%(重量)Fe 0.20-0.23%(重量)
Cr 0.10-0.12%(重量)C 0.014-0.0190%(重量)Al 43-46ppmB ＜0.2Cd ＜0.2Cl ＜10-20Co ＜10Cu ＜25H 53-57Pb ＜50Mn ＜25Mg ＜10Mo ＜25Ni ＜25Nb ＜50Si 69-79Ta ＜100Ti ＜25W ＜50V ＜25U 2.5-2.7H (＜12)N (31-36)O [0.13-0.14%(重量)]表ⅩⅤ中的合金元素均以重量百分比表示，雜質(zhì)以ppm表示。數(shù)值的范圍表示取自各個(gè)不同的鑄錠位置的試驗(yàn)結(jié)果的范圍。括號(hào)內(nèi)的數(shù)值取樣于管子殼。
可以預(yù)料，為了減小上述實(shí)例中原先的β晶粒的尺寸，應(yīng)當(dāng)減少β處理的時(shí)間。舉例來(lái)說(shuō)，這個(gè)目的可以把淬火環(huán)移動(dòng)到更接近于感應(yīng)線(xiàn)圈的端部和/或增加管子的輸送速度來(lái)實(shí)現(xiàn)。所以，可以認(rèn)為管子應(yīng)當(dāng)在從感應(yīng)線(xiàn)圈出來(lái)的2秒鐘內(nèi)，更好的是在1秒鐘內(nèi)進(jìn)行淬火。還可預(yù)料，可用部分管壁的β處理來(lái)代替穿透管壁的β處理?？梢赃M(jìn)一步預(yù)料，與β淬火最好是在達(dá)到最終尺寸前的數(shù)道冷軋工序前進(jìn)行相應(yīng)，β-處理也可以正在最后一道冷軋工序之前進(jìn)行。
前面的討論和實(shí)例描述了本發(fā)明在冷軋Zircaloy管材方面的應(yīng)用。本領(lǐng)域常規(guī)技術(shù)水平的人們將看出，按本發(fā)明所進(jìn)行的退火的參數(shù)可能受到Ziecaloy合金在冷軋前的微觀(guān)結(jié)構(gòu)和采用所述的退火工藝同時(shí)產(chǎn)生的沉積硬化作用的影響。還應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，這里所述的退火參數(shù)還能受到被處理的材料的實(shí)際成分的影響?，F(xiàn)在預(yù)料，按本發(fā)明的工藝還可以鋯-2和-4以外的鋯管和鋯合金管材，由于這些材料的退火動(dòng)力學(xué)不同，對(duì)退火工藝要做適當(dāng)修改?？梢詫?zhuān)門(mén)預(yù)料到，本發(fā)明能夠用于內(nèi)表面有鋯層或有其它結(jié)合在內(nèi)表面的抗互相作用的片狀包殼材料的Zircaloy管?？善谕谧詈筮@種應(yīng)用中，感應(yīng)退火可改進(jìn)襯層的晶粒粒度的控制，以及改善重復(fù)生產(chǎn)出完全再結(jié)晶襯層的能力，這種襯層是與消除應(yīng)力或部分再結(jié)晶的Zircaloy合金連接在一的。
可進(jìn)一步相信，按本發(fā)明所生產(chǎn)的管子與批料真空退火爐退火的管子相比，將會(huì)改善其橢圓性。在批料爐內(nèi)退火的高溫下，管子互相疊放，其重量能夠使管子偏離所要求的圓形斷面。
在上述詳細(xì)實(shí)例中，由于我們的實(shí)驗(yàn)設(shè)備的限制，每根管子只有一部分長(zhǎng)度可以經(jīng)受感應(yīng)退火。期望本領(lǐng)域的常規(guī)技術(shù)人員，基于這里所作的描述，將能夠制造出可以使每根管基本上在全長(zhǎng)上經(jīng)受感應(yīng)退火的設(shè)備。
權(quán)利要求
1.一種對(duì)于50%至85%冷加工Zircaloy合金管進(jìn)行α退火的工藝，其特征是采用感應(yīng)加熱，快速將所說(shuō)的冷加工Zircaloy合金加熱到預(yù)定溫度，加熱速率大于每秒300·F，然后至少以每秒5·F的速率冷卻該Zircaloy合金。
2.按權(quán)利要求
1所述工藝，這種工藝的特征是，感應(yīng)加熱是以大于每秒800°F的速率加熱的。
3.按權(quán)利要求
2所述工藝，這種工藝的特征是，感應(yīng)加熱的速度大于每秒3000°F。
4.按權(quán)利要求
1、2或3所述工藝，這種工藝的特征是，冷卻速率從每秒5°F至1000°F。
5.按權(quán)利要求
4所述工藝，這種工藝的特征是，冷卻速度從每秒5°F至500°F。
6.按權(quán)利要求
5所述工藝，這種工藝的特征是，冷卻速度從每秒5°F至100°F。
7.按權(quán)利要求
6所述工藝，這種工藝的特征是，冷卻速度從每秒20°F至30°F。
8.按權(quán)利要求
6或7所述工藝，這種工藝的特征是，Zircaloy合金管的冷加工度從70%到85%。
9.按權(quán)利要求
8所述工藝，這種工藝的特征是，冷加工的Zircaloy合金被加熱到760℃至900℃的溫度。
10.按權(quán)利要求
8所述工藝，這種工藝的特征是，冷加工Zircaloy合金被加熱到540℃至650℃的溫度。
11.按權(quán)利要求
8所述工藝，這種工藝的特征是，冷加工Zircaloy合金被加熱到650℃至760℃的溫度。
12.按權(quán)利要求
8、9、10或11所述方法，這種工藝的特征是，采用感應(yīng)加熱線(xiàn)圈掃描來(lái)實(shí)現(xiàn)加熱，以及在Zircaloy合金從所述感應(yīng)線(xiàn)圈出來(lái)時(shí)進(jìn)行冷卻。
13.按權(quán)利要求
12所述工藝，這種工藝的特征是，冷軋Zircaloy合金管以每分鐘至少600英寸的速率受到感應(yīng)加熱線(xiàn)圈的掃描。
14.按權(quán)利要求
1到13中的任一項(xiàng)所述工藝，這種工藝的特征是，加熱速率至少是冷卻速率的10倍。
15.一種Zircaloy合金管狀燃料包殼的加工工藝，其特征是，加工成中間尺寸的管子;將所說(shuō)的至少經(jīng)數(shù)道冷軋減縮工序的中間尺寸管子冷軋到至少是實(shí)際上的最終尺寸，在每道所述的冷軋減縮工序之間，通過(guò)感應(yīng)加熱到760℃～900℃，然后冷卻的方法，把所說(shuō)的中間尺寸管子進(jìn)行再結(jié)晶退火，在最終的冷軋工序之后，通過(guò)感應(yīng)加熱，將實(shí)際上是最終尺寸的管子加熱到540℃至900℃的溫度，然后冷卻所說(shuō)的材料，進(jìn)行最終退火。
16.按權(quán)利要求
15所述工藝，這種工藝的特征是，中間尺寸的管子在數(shù)道冷軋減縮工序之前進(jìn)行β處理。
17.按權(quán)利要求
15或16所述工藝，這種工藝的特征是，在最終的退火工序中加熱到540℃至650℃的溫度。
18.按權(quán)利要求
15或16所述工藝，這種工藝的特征是，在最終的退火工序中加熱到650℃至760℃的溫度。
19.按權(quán)利要求
15或16所述工藝，這種工藝的特征是，在最終的退火工序中加熱到760℃至900℃的溫度。
專(zhuān)利摘要
鋯基管材的α退火工藝是用感應(yīng)加熱冷加工管材、使其快速加熱到高溫，然后冷卻。在選定的高溫下保溫時(shí)間少于1秒，最好是零。可用感應(yīng)加熱到540℃至650℃使冷軋Zircaloy合金消除應(yīng)力。用感應(yīng)加熱到650℃至760℃來(lái)進(jìn)行冷軋Zircaloy合金的部分再結(jié)晶退火?？捎酶袘?yīng)加熱到760℃至900℃來(lái)進(jìn)行冷軋Zircaloy合金的完全再結(jié)晶α退火。
文檔編號(hào)C22F1/18GK86105711SQ86105711
公開(kāi)日1987年4月8日 申請(qǐng)日期1986年8月2日
發(fā)明者羅伯特·約翰·科姆斯托克, 威廉姆·阿爾夫里德·扎科布森, 弗朗西斯·塞利爾, 喬治·保羅·薩伯爾 申請(qǐng)人:西屋電氣公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan