一种核用锆合金异性丝材制备方法
技术领域
本发明涉及材料制备技术领域，特别涉及一种核用锆合金异形丝材制备方法。
背景技术
重水堆用核燃料组件由锆合金压力管和燃料棒束组成，燃料棒束由多根燃料单棒(元件)组成，燃料棒束和压力管之间由锆合金矩形丝材冲压的支撑垫隔离，燃料单棒(元件)之间由锆合金矩形丝材冲压的隔离块隔离。支撑垫及隔离块的作用是保障燃料组件内部热交换通道畅通、防止燃料单棒(元件)之间相互接触，事关燃料组件的安全性，因此要求锆合金矩形丝材尺寸精密、抗腐蚀性能良好、并具备一定的加工塑性。传统的加工方法为模具拉拔或辊模拉拔，丝材处于两向压一向拉受力状态，丝材道次加工变形量小。另外模具拉拔存在的问题模具内圆角加工应力大、磨损大、模具易破裂，丝材易出现表面粘结缺陷;辊模拉拔存在的问题是矩形丝材圆角不易充满，尺寸精度不满足技术要求。
发明内容
本发明实施例的目的是通过对锆合金棒坯采用操作方便、工艺可控性强的四辊冷轧丝材制备工艺，使锆合金棒坯在加工时处于三向压应力状态，冷轧道次加工变形量大，使用本方法得到的锆合金丝材具有尺寸精密、抗腐蚀性能好，且其具备一定的强度和加工塑性。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种核用锆合金异形丝材制备方法，包括如下步骤：
对锆合金棒坯进行加热;
对加热后的所述锆合金棒坯进行成型处理，得到第一坯料;
对所述第一坯料进行表面层处理，得到第二坯料;
对所述第二坯料进行至少一次第一冷轧处理，得到第三坯料;
对所述第三坯料进行第二冷轧处理，得到锆合金丝材。
进一步地，所述对加热后的所述锆合金棒坯进行成型处理得到第一坯料;其中，所述成型处理，包括：
使用型材轧机对加热后的所述锆合金棒坯进行多道次热轧，得到所述第一坯料;或
使用挤压设备对加热后的所述锆合金棒坯进行一次成型挤压，得到所述第一坯料。
进一步地，所述对所述第一坯料的表面进行表面层处理得到第二坯料;其中，所述表面层处理，包括：
去除经成型处理后的所述第一坯料的表面氧化层和/或表面缺陷层;
对经去除表面氧化层或表面缺陷层处理后的所述第一坯料进行第一阶段酸洗、漂洗和烘干处理，得到所述第二坯料。
进一步地，所述对所述第二坯料进行至少一次第一冷轧处理得到第三坯料;其中，所述第一冷轧处理，包括：
使用四辊型材轧机对所述第二坯料进行第一阶段冷轧处理;
对经第一阶段冷轧处理后的所述第二坯料进行除油脱脂处理;
对经除油脱脂处理后的所述第二坯料进行烘干处理;
对经烘干处理后的所述第二坯料进行第一阶段真空退火处理，得到所述第三坯料。
进一步地，所述第一阶段冷轧处理为多道次冷轧处理;其中，
道次冷轧变形率为13%-19%;
累加总变形率小于或等于70%。
进一步地，所述对所述第三坯料进行第二冷轧处理得到第四坯料;其中，所述第二冷轧处理，包括：
使用四辊型材轧机对所述第三坯料进行第二阶段冷轧处理;
对经第二阶段冷轧处理后的所述第三坯料进行第二阶段真空退火处理;
对经第二阶段真空退火处理的所述第三坯料进行第二阶段酸洗、漂洗和烘干处理，得到锆合金丝材。
进一步地，所述使用四辊型材轧机对所述第三坯料进行第二阶段冷轧处理;其中，所述第二阶段冷轧处理中，冷轧变形率小于或等于10%。
进一步地，所述真空退火处理的温度为600℃-700℃;
所述真空退火处理的时间为210min;
所述真空退火处理的真空度小于1×10-2Pa。
进一步地，所述酸洗所使用的酸性溶液包括：硝酸、氢氟酸和水;和/或
所述漂洗的时间为10min-20min;和/或
所述烘干的时间为30min-60min，所述烘干的温度为93℃-120℃。
进一步地，所述酸性溶液中，所述硝酸的配比比例为10%-45%;所述氢氟酸的配比比例为1%-5%;余量为水。
本发明实施例的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
通过对锆合金棒坯采用操作方便、工艺可控性强的四辊冷轧丝材制备工艺，使锆合金棒坯在加工时处于三向压应力状态，冷轧道次加工变形量大，使用本方法得到的锆合金丝材具有尺寸精密、抗腐蚀性能好，且其具备一定的强度和加工塑性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的核用锆合金异形丝材制备方法的流程示意图;
图2是本发明实施例提供的步骤S300流程示意图;
图3是本发明实施例提供的步骤S400流程示意图;
图4是本发明实施例提供的步骤S500流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
本发明实施例所述锆合金的化学成分(质量分数)为：Sn含量为1.20%～1.70%，Fe含量为0.18%～0.24%，Cr含量为0.07%～0.13%，Fe+Cr含量为0.28%～0.37%，O含量为0.09～0.15%，C含量为0.0080%～0.0160%，Si含量为0.0080%～0.0120%，基体为锆。
图1是本发明实施例提供的核用锆合金异形丝材制备方法的流程示意图。
请参照图1，本发明实施例提供一种核用锆合金异形丝材制备方法，包括如下步骤：
S100，对锆合金棒坯进行加热。首先，使用电炉对锆合金棒坯进行加热。
可选的，加热的温度范围为650℃-750℃，加热的时间范围为45min-60min。
可选的，锆合金棒坯选用的直径范围为Φ86mm～Φ30mm。
S200，对加热后的锆合金棒坯进行成型处理，得到第一坯料。在对锆合金棒坯进行加热后，将锆合金棒坯置于型材轧机上进行成型处理，得到直径为Φ8mm～Φ13mm的第一坯料。
S300，对第一坯料进行表面层处理，得到第二坯料。
S400，对第二坯料进行至少一次第一冷轧处理，得到第三坯料。
S500，对第三坯料进行第二冷轧处理，得到锆合金丝材。
在本发明实施例的一个实施方式中，步骤S200中对加热后的锆合金棒坯进行成型处理得到第一坯料中，包括：使用型材轧机对加热后的锆合金棒坯进行多道次热轧，得到第一坯料。
在本发明实施例的另一个实施方式中，步骤S200中对加热后的锆合金棒坯进行成型处理得到第一坯料中，包括：使用挤压设备对加热后的锆合金棒坯进行一次成型挤压，得到第一坯料。
图2是本发明实施例提供的步骤S300的流程示意图。
请参照图2，在步骤S300中，对第一坯料的表面进行表面层处理得到第二坯料，包括如下步骤：
S310，去除经成型处理后的第一坯料的表面氧化层和/或表面缺陷层。其中，表面缺陷层包括粘接、折叠凳表面缺陷。
S320，对经去除表面氧化层或表面缺陷层处理后的第一坯料进行第一阶段酸洗、漂洗和烘干处理，得到第二坯料。
可选的，在步骤S320中，第一阶段酸洗所使用的酸性溶液包括：硝酸、氢氟酸和水。优选的，硝酸的配比比例为10%-45%;氢氟酸的配比比例为1%-5%;余量为水。
可选的，使用去离子水漂洗的时间为10min-20min。
可选的，烘干的时间为30min-60min，烘干的温度为93℃-120℃。
图3是本发明实施例提供的步骤S400的流程示意图。
请参照图3，在步骤S400中，对第二坯料进行至少一次第一冷轧处理得到第三坯料，包括如下步骤：
S410，使用四辊型材轧机对第二坯料进行第一阶段冷轧处理。
可选的，在步骤S410中，第一阶段冷轧处理为多道次冷轧处理。其中，道次冷轧变形率为13%-19%;累加总变形率小于或等于70%。使用轧制润滑液对第二坯料进行冷却。
S420，对经第一阶段冷轧处理后的第二坯料进行除油脱脂处理。
S430，对经除油脱脂处理后的第二坯料进行烘干处理。
S440，对经烘干处理后的第二坯料进行第一阶段真空退火处理，得到第三坯料。
可选的，在步骤S440进行的第一阶段真空退火处理中，真空退火处理的温度范围为600℃-700℃;真空退火处理的时间为210min;真空退火处理的真空度小于1×10-2Pa。
图4是本发明实施例提供的步骤S500的流程示意图。
请参照图4，在步骤S500中，对第三坯料进行第二冷轧处理得到第四坯料，包括如下步骤：
S510，使用四辊型材轧机对第三坯料进行第二阶段冷轧处理。
可选的，在步骤S510中，使用四辊型材轧机对第三坯料进行第二阶段冷轧处理，第二阶段冷轧变形率小于或等于10%。
S520，对经第二阶段冷轧处理后的第三坯料进行第二阶段真空退火处理，得到半成品锆合金丝材。
在步骤S520进行的第二阶段真空退火处理，真空退火处理的温度范围为600℃-700℃;真空退火处理的时间为60min-210min;真空退火处理的真空度小于1×10-2Pa。当累加加工变形较大时用较低的温度退火，当累加加工变形较小时用较高的温度退火。当退火材料较多时，为使退火材料温度均匀，退火时间较长;当退火材料较少时，为使退火材料温度均匀，退火时间较短。
S530，对经第二阶段真空退火处理的所述第三坯料进行第二阶段酸洗、漂洗和烘干处理，得到锆合金丝材。
可选的，在步骤S530中，第二阶段酸洗所使用的酸性溶液包括：硝酸、氢氟酸和水。优选的，硝酸的配比比例为10%-45%;氢氟酸的配比比例为1%-5%;余量为水。
可选的，使用去离子水漂洗的时间为10min-20min。
可选的，烘干的时间为30min-60min，烘干的温度为93℃-120℃。锆合金坯料直径较大，容易实现漂洗和烘干，则漂洗时间较短，烘干的温度和时间较低。
在本发明一优选实施例中，锆合金丝材的制备过程如下：
步骤S100中，使用电炉对直径为Φ60mm的锆-4合金棒坯进行加热，加热温度700℃±50℃，加热时间45min～60min。
步骤S200中，对加热后的锆-4合金棒坯置于型材轧机上进行多道次热轧，得到直径为Φ13mm的第一坯料。
步骤S300中，去除第一坯料的表面氧化层和/或表面缺陷层，然后使用包括硝酸和氢氟酸的酸性溶液(45%硝酸、5%氢氟酸、余量为水)清洗第一坯料，最后使用去离子水进行漂洗并烘干(烘干时间为30min，烘干温度为93℃)，得到第二坯料。
步骤S400中，
对第二坯料进行第一次第一阶段第一冷轧处理：使用四辊型材轧机对第二坯料进行多道次冷轧，道次冷轧变形率为13%-19%，累加总变形率为66.2%，轧制尺寸为7.56±0.25mm×7.56±0.25mm;然后将第二坯料置于碱性除油剂中进行除油脱脂，并烘干(烘干时间为30min，烘干温度为93℃);最后进行真空退火处理，退火温度为650℃，退火时间为210min，真空压强小于1×10-2Pa。
对第二坯料进行第二次第一冷轧处理：使用四辊型材轧机对第二坯料进行多道次冷轧，道次冷轧变形率为13%-19%，累加总变形率59.7%，轧制尺寸为4.8±0.25mm×4.8±0.25mm;然后将第二坯料置于碱性除油剂中进行除油脱脂，并烘干(烘干时间为45min，烘干温度为100℃);最后进行真空退火处理，退火温度为650℃，退火时间为210min，真空压强小于1×10-2Pa。
对第二坯料进行第三次第一冷轧处理：使用四辊型材轧机对第二坯料进行多道次冷轧，道次冷轧变形率为13%-19%，累加总变形率55.6%，轧制尺寸为3.2±0.25mm×3.2±0.25mm;然后将第二坯料置于碱性除油剂中进行除油脱脂，并烘干(烘干时间为45min，烘干温度为100℃);最后进行真空退火处理，退火温度为650℃，退火时间为210min，真空压强小于1×10-2Pa。
对第二坯料进行第四次第一冷轧处理：使用四辊型材轧机对第二坯料进行多道次冷轧，道次冷轧变形率为13%-19%，累加总变形率51.7%，轧制尺寸为1.66±0.25mm×2.98±0.25mm;然后将第二坯料置于碱性除油剂中进行除油脱脂，并烘干(烘干时间为60min，烘干温度为93℃);最后进行真空退火处理，退火温度为650℃，退火时间为210min，真空压强小于1×10-2Pa。
对第二坯料进行四次第一冷轧处理后，得到第三坯料。
步骤S500中，对第三坯料进行第二阶段冷轧处理，第二阶段冷轧处理的冷轧变形率为9.5%，轧制尺寸为1.56±0.25mm×2.87±0.25mm;进行真空退火，退火温度为600℃，退火时间为210min，真空压强小于1×10-2Pa;使用包括硝酸和氢氟酸的酸性溶液(25%硝酸、3%氢氟酸、余量为水)清洗第三坯料，最后使用去离子水进行漂洗(漂洗时间为10min-20min)并烘干(烘干时间为60min，烘干温度为120℃)，得到锆-4合金丝材。其中，酸洗的直径去除量为0.01mm-0.02mm。
对锆-4合金丝材取样检测，进行弯曲性能、均匀腐蚀、晶粒度和低倍组织检测。
上述具体实施例制备的核用锆合金异形丝材的性能测试数据见表1。
表1本发明实施例的核用锆合金异形丝材的性能测试数据结果
由表1可知，采用上述具体实施例制备的锆合金丝材符合产品技术要求，低倍组织检验合格，室温拉伸及抗均匀腐蚀性能合格。
本发明实施例旨在保护一种核用锆合金异形丝材制备方法，包括如下步骤：对锆合金棒坯进行加热;对加热后的锆合金棒坯进行成型处理，得到第一坯料;对第一坯料进行表面层处理，得到第二坯料;对第二坯料进行至少一次第一冷轧处理，得到第三坯料;对第三坯料进行第二冷轧处理，得到锆合金丝材。上述技术方案具备如下有益的效果：
通过对锆合金棒坯采用操作方便、工艺可控性强的四辊冷轧丝材制备工艺，使锆合金棒坯在加工时处于三向压应力状态，冷轧道次加工变形量大，使用本方法得到的锆合金丝材具有尺寸精密、抗腐蚀性能好，且其具备一定的强度和加工塑性。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
