鋯及鋯合金因具有熱中子吸收截面低、良好的高溫高壓水耐蝕性能和較高的力學性能,同時在反應堆運行環(huán)境中具有較好的抗中子輻照性能,是輕水反應堆用燃料元件包殼不可或缺的材料,被譽為“原子時代的第一金屬”[1-3]。鋯合金在空氣環(huán)境熱加工制造過程中極易與空氣中的H,O,N等元素發(fā)生化學反應,進而產生大量脆性化合物,使鋯合金的塑韌性及抗拉強度急劇下降,同時鋯合金中O,N等元素的增加將顯著降低鋯合金在高溫高壓水及蒸汽環(huán)境中的耐蝕性能。目前,壓水反應堆用核燃料元件鋯包殼材料的焊接主要采用真空電子束焊接方法。隨著國內核動力反應堆技術的不斷發(fā)展,面向海、陸、空、天全域型譜燃料元件用鋯包殼結構形式變得日趨復雜,依托傳統(tǒng)組裝焊接的研制工藝實現(xiàn)復雜結構燃料元件的研制變得愈發(fā)困難,一方面增加了組裝、焊接等工藝技術難度,另一方面也增加了新型結構燃料元件的研發(fā)成本。

電子束熔絲成形技術是電子束增材制造技術的一種[4-6],其成形腔體為真空環(huán)境,能夠有效避免因空氣中有害雜質對成形材料的影響。其具有保護效果好、零件致密等特點,特別適合易氧化、難熔金屬復雜結構件的短周期、低成本制造及復雜結構件的表面修復。目前,國內外對鋯合金電子束加工技術的研究主要集中在真空電子束熔煉及焊接的工藝、焊縫金屬組織性能等方面的研究[7-9],而關于鋯合金電子束熔絲增材成形的研究較少。文中主要利用透射電鏡、掃描電鏡、電子背散射衍射儀等表征方法對R60702鋯合金電子束熔絲沉積試樣的微觀組織及其性能進行了研究,分析了鋯合金沉積試樣晶粒形態(tài)及長大特征、沉積層內元素的擴散行為及沉積試樣的力學性能,為后續(xù)鋯合金電子束成形技術的進一步研究提供了基礎。

1、試驗材料與方法

1.1試驗材料

試驗所用鋯絲材質為工業(yè)純鋯,牌號R60702,鋯絲直徑為1.2mm,成分見表1。試驗所用基板材料為熱軋退火態(tài)的R60702鋯合金,為保持基板表面平整,試驗前分別用100^#,400^#及800^#金相砂紙打磨,并用丙酮對基板表面進行清洗除油,干燥待用。

1.2試驗方法

試驗用電子束熔絲成形設備為法國TECHMETA電子束熔絲成形設備,電子束焊機最大功率為15kW,額定加速電壓為60kV,焊接束流為0~250mA。電子束增材沉積所用工藝參數(shù)見表2,所有試樣沉積方向均采用由左至右的方向進行單道多層沉積。

利用線切割設備對沉積試樣進行切割制備金相試樣,分別利用50,400,1200,2000,5000目的金相砂紙打磨,利用電解拋光液(乙醇∶高氯酸=9∶1)置于冰水混合物中水浴降溫至0℃,之后將直流電源電壓調至15V。將陽極試樣與陰極鈦合金板同時放入電解拋光液中,拋光時間為120s,拋光完成后采用超聲清洗10min。利用蔡司光學顯微鏡對金相試樣進行表征,利用NonaMeasure軟件開展平均晶粒尺寸統(tǒng)計,通過ZeissMERLINCompact場發(fā)射掃描電子顯微鏡自帶的EBSD探頭對鋯合金電子束熔絲增材試樣掃描,對掃描之后的數(shù)據(jù)使用TSLOIMAnalysis7軟件進行分析和處理,利用STEM透射電子顯微鏡對試樣金相高分辨觀察。

2、結果與分析

2.1沉積試樣顯微組織

圖1a為沉積試樣橫截面顯微組織,結果表明,沉積層組織致密,內部無氣孔、夾雜等宏觀缺陷,沿著高度方向沉積層的寬度變化不明顯,在沉積試樣下部能明顯看到基板與沉積層的分界線,分界線呈現(xiàn)輕微地下凹。圖1b為沉積試樣縱截面顯微組織,可較為清晰地觀察到基板熔化區(qū)域的熔合線、基板與沉積層的分界線。

圖2為圖1a中不同位置處晶粒組織形貌。從圖2可見,各個部位的晶粒形狀都呈不規(guī)則形狀且雜亂分布。圖3為沉積層橫截面上不同位置處的晶粒尺寸統(tǒng)計結果。結果表明,底部沉積層的晶粒尺寸較小,隨著沉積高度增加,晶粒尺寸增大,上部區(qū)域的晶粒尺寸平均值最大為1.32mm。

這主要是由于沉積剛開始時,基板溫度較低,有強烈的吸熱和散熱作用,對底部沉積層的液態(tài)金屬產生較大過冷度,同時基板可提高非均勻形核的基底,因此會在這一部分液體中產生大量的晶核,向各個方向生長,當相鄰晶粒相遇后便停止生長,因此該區(qū)域的晶粒細小且致密。而在中部區(qū)域,液態(tài)金屬開始形核時,非均勻形核的基底較底部少,同時由于沉積過程會不斷地提供熱輸入,熱積累加劇,促進中上部的晶粒生長,使晶粒尺寸較底部更為粗大。

2.2特征區(qū)微觀組織分布特征

圖4為沉積試樣的微觀組織形貌。從圖4可見,R60702鋯合金沉積試樣組織內部致密,未觀察到明顯的氣孔和析出相,同時在晶體表層存在一層絮狀物質,大都以2種形式存在,一種為散亂分布的聚集絮狀,如圖4a所示;另一種為條形分布的絮狀聚集,如圖4c所示;經進一步放大觀察發(fā)現(xiàn),沉積層組織內部絮狀物無論以何種方式聚集,它都是由細小的具有起伏特征的網狀組織相連而構成,如圖4b及圖4d所示。

2.3沉積件晶粒形態(tài)及長大特征

采用電子背散射衍射儀(EBSD)對鋯合金熔絲沉積過程中不同層數(shù)晶粒的結晶行為、晶粒生長方向及應力分布進行了研究。圖5a,b分別為沉積試樣中部及頂部區(qū)域中相的分布情況。從圖中可以看出,在試樣中部區(qū)域主要為α-Zr,β-Zr的含量幾乎可以忽略不計;而在試樣頂部區(qū)域,雖然主要基體相依舊為α-Zr(占比98.7%),但存在少量處于零星分布的β-Zr(占比1.1%)。圖5c,d分別為沉積試樣中部及頂部區(qū)域中沉積層組織內部的應力分布圖。圖5c結果顯示,在沉積層中部位置,沉積試樣并未產生明顯的應力集中現(xiàn)象,輕微的應力集中發(fā)生于晶粒邊界處。圖5d結果表明,沉積試樣頂部位置的內部應力集中現(xiàn)象比試樣中部區(qū)域嚴重,但應力集中也主要集中于晶界位置。分析認為,頂部沉積層組織應力集中現(xiàn)象比中部位置嚴重的原因是由于后續(xù)的堆積使得中部區(qū)域反復地受到熱循環(huán)的影響,使得中部區(qū)域溫度不斷升高與降低,促進中部區(qū)域的內部應力得到了充分地釋放,因此應力集中得到明顯改善。

晶粒取向差在一定程度上可以很好地描述同種晶粒之間的取向特征,通常晶粒間的取向差>15°時為大角度晶界,<15°時則為小角度晶界,小角度晶界的比例較高時材料可能有較強的織構出現(xiàn),取向性會較強。圖6為沉積試樣的花樣質量圖及晶界角度取向差統(tǒng)計圖。

圖6a結果顯示,沉積試樣中部區(qū)域晶粒組織小角度晶界的比例為65%;圖6b結果表明,沉積試樣頂部區(qū)域<15°的小角度晶界所占比例為62%。上述結果顯示,無論是沉積層頂部位置還是在中部位置,晶界主要以小角度晶界為主,說明沉積試樣整體晶粒的取向性較強。

圖7為沉積試樣晶粒組織取向成像圖。結果表明,在中部沉積組織中,試樣中的晶粒顏色以紅黃色為主,而在頂部沉積組織中,試樣的晶粒顏色以紅棕色為主,上述結果說明不論是在中部的沉積層組織還是在頂部沉積層組織,其晶粒的生長方向均存在一定的擇優(yōu)生長特性。這主要是由于熔絲沉積過程在真空條件下進行,沉積層兩側只能依靠輻射散熱,散熱速度很慢,此時沉積層主要沿垂直于基板方向進行散熱,這使得熱量的散失具有很強的方向性,晶體則主要沿著散熱方向的反方向進行擇優(yōu)生長形成柱狀晶,使得晶粒具有明顯的取向。

為了進一步研究鋯合金電子束增材沉積層沿增材方向不同高度典型位置的微觀組織形貌,利用具有高分辨率與高放大倍數(shù)的透射電子顯微鏡進行分析。圖8a為中部沉積試樣組織的透射電子顯微圖,從圖中可以看出鋯基體相主要呈片層狀分布,其中襯度較暗的窄條狀與襯度較亮的寬片狀為主要基體相。圖8c為成型件頂部位置的透射電子顯微圖,結果表明成型件頂部的組織與中部存在一定的差異,主要表現(xiàn)在層片狀組織不連續(xù),基體相呈塊狀分布。

2.4沉積層內元素的擴散與分布

對沉積試樣中部位置典型區(qū)域的相組織成分以及元素分布進行分析。圖9為中部典型位置微觀組織及能譜分析結果,點能譜結果表明(表3),深色窄片狀組織(位置1)的Zr含量要低于淺色寬片狀組織(位置2),而Hf的含量恰好相反。線掃能譜結果顯示Zr元素在淺色寬片狀組織位置要明顯升高,與點能譜結果一致。

圖10a及圖10b為沉積試樣中部位置典型組織TEM照片及衍射斑點標定結果,其淺色寬片狀的相為晶帶軸[111]的Zr相。圖10d和圖10e分別為沉積試樣頂部典型組織TEM照片及衍射斑點標定結果,基體相為晶帶軸[110]的Zr相。結合典型區(qū)域的明場照片、衍射斑點、高分辨照片及STEM的點能譜、線掃描和面掃描結果表明,沉積試樣的基體相為不同晶粒取向的Zr相組成,存在Hf等合金元素的偏聚,沒有雜質相產生。

2.5電子束熔絲增材構件力學性能

圖11為沉積試樣橫截面上距基板不同距離位置處的平均硬度統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

從圖11可見,隨著沉積高度的增加,硬度數(shù)值呈現(xiàn)下降趨勢,且第1層沉積的硬度顯著高于后續(xù)沉積層的硬度。從前述顯微組織可知,底部沉積層的晶粒尺寸較中上部尺寸要小很多,因此底部硬度較中上部大很多,隨著沉積高度增大,晶粒尺寸增大,且在中部區(qū)域每進行一次沉積時,前一道沉積都會再次受到熱作用,相當于進行了一次退火處理,因此硬度會有所降低,但最后一層沒有再經歷過熱作用,因此硬度沒有發(fā)生降低,其硬度值高于前一層。

如圖12所示為沉積試樣不同位置截取的4個棒狀拉伸試樣抗拉強度及其斷口形貌。結果表明,位于頂端位置的拉伸試樣1和拉伸試樣2的抗拉強度分別為569,577MPa,略大于位于底部位置試樣的抗拉強度(535,544MPa),4個拉伸試樣的抗拉強度均顯著大于熱軋退火態(tài)的鋯合金抗拉強度(398MPa)。

圖12c為沉積試樣拉伸斷口掃描電子顯微鏡照片,斷裂的截面有明顯的纖維區(qū)和剪切唇,斷口不光滑,具有臺階狀的分層,將斷口放大(圖12d)發(fā)現(xiàn)斷口布滿大小不均、深淺不一的韌窩,部分韌窩底部具有小孔洞,大韌窩由小韌窩組成,其斷裂方式為典型韌性斷裂。

3、結論

(1)R60702鋯合金電子束熔絲增材沉積層試樣組織致密,試樣內部未發(fā)現(xiàn)氣孔等缺陷,沉積組織底層晶粒細小致密,隨著沉積高度增加,晶粒增大;

(2)沉積層晶粒組織小角度晶界比例在60%以上,晶粒生長存在顯著的擇優(yōu)取向特征;增材沉積試樣的鋯基體相主要以層片狀分布為主,基體相主要由α-Zr為主,并存在Hf等合金元素偏聚的現(xiàn)象;

(3)沉積試樣抗拉強度為535~577MPa,顯著大于熱軋退火態(tài)的鋯合金抗拉強度(398MPa);沉積試樣橫截面上距基板位置越遠,沉積試樣硬度越低。

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作者簡介:周猛兵(1991—),男,助理研究員,碩士,主要從事核 燃料元件焊接成形研究.

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