铌含量对锆合金组织及性能的影响

关键词：合金元素

锆合金是核反应堆中常用的结构材料, 随着核电工业的发展, 对锆合金在反应堆高燃耗下的各种性能提出了更高的要求[1]。由于铌元素在作为锆合金的合金化元素时具有吸收截面小, 可消除锆合金中少量杂质的不利影响, 可有效地减少锆合金的吸氢量等一系列优点, 目前新的锆合金主要是含铌的锆合金。本研究在Zr-4合金的基础上添加了不同含量的铌元素, 并研究了含铌锆合金的组织和性能。

1 试验材料与方法

试验用原材料为海绵锆 (纯度≥99%) 、分析纯锡粒 (纯度≥99.9%) 、分析纯还原铁粉 (纯度≥98%) 、高纯铬 (纯度≥99.9%) 及纯铌 (纯度≥99.99%) , 每个试样所用炉料的总质量为40g, 采用WS-4型非自耗真空电弧炉对原材料的混合物进行熔炼, 真空度为7×10-3Pa, 电压为10V, 电流为150A。熔炼所得锆合金铸锭的形貌如图1所示, 铸锭为典型的研究用小扁锭, 每个铸锭样品的直径都十分接近, 铸锭的表面不是特别光滑, 可能是由于电力不是很足造成的[2], 但对铸锭的质量影响不大。铸锭成分见表1。

采用1 0%H F+4 5%H N O3+4 5%H2O混合溶液对铸锭样品进行腐蚀, 用O L Y P U S光学显微镜 (O M) 进行显微组织分析;采用HXD-1000TMC型显微硬度仪测定铸锭样品的硬度。

2 试验结果及分析

2.1 显微组织

图2为不同铌含量铸锭试样的显微组织图。铸锭组织呈细小针状, 随着铌含量的增加, 组织越来越细, 晶粒越来越小, 在铌含量为0.40%的3#试样中有少量的黑色点状物, 原因是原材料海绵锆中可能含有杂质元素镁, 在熔炼过程中产生飞溅现象, 使样品受到沾污而残留的杂质。

2.2 显微硬度

随铌含量的增加, 锆合金的硬度变化不是很大, 合金的硬度保持在1 8 0 H v~230Hv之间。大量的数据表明[3~4], 合金元素的种类和含量不同时, 锆合金的硬度应保持在130Hv~230Hv之间, 本研究的结果与其一致。其中, 铌含量为0.40%的3#试样的的硬度最高, 这与铌含量及其它合金元素的分布情况有关。硬度影响合金的耐磨性, 硬度的测试结果表明, 铌含量为0.40%的3#试样的耐磨性可能相对较好。