摘 要:某Zr-1鋯錠在進(jìn)行無損檢測時發(fā)現(xiàn)內(nèi)部存在缺陷。采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、金 相檢驗、硬度測試、掃描電鏡及能譜分析等方法,對該缺陷的形成原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:鋯錠 缺陷的形成原因是熔煉時使用的電極被污染,引入了外來夾雜物,導(dǎo)致銅元素被引入Zr-1鋯錠,未 熔化的氧化銅顆粒和熔化的銅形成了鋯銅合金,在Zr-1鋯錠中形成了硬脆相夾雜物。

關(guān)鍵詞:Zr-1鋯錠;缺陷;夾雜物;鋯銅合金

中圖分類號:TB31 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號:1001-4012(2023)03-0028-03

鋯合金材料具有優(yōu)良的吸收中子能力、良好的 加工性能和耐腐蝕性能,被廣泛應(yīng)用于核電、石化、 冶金等行業(yè)[1-3]。鋯合金材料鑄錠(鋯錠)的質(zhì)量直 接影響管材、棒材、板材及其最終產(chǎn)品的質(zhì)量、性能 穩(wěn)定性以及生產(chǎn)成本等,因此必須嚴(yán)格控制鋯錠的 質(zhì)量。Zr-1鋯錠的制備過程為:選擇工業(yè)海綿鋯 添加元素混料布料電極的等離子焊接真空自 耗電弧熔煉(電磁攪拌)。某Zr-1鋯錠在進(jìn)行無損 檢測時發(fā)現(xiàn)內(nèi)部存在缺陷,筆者對該鋯錠進(jìn)行一系 列理化檢驗,查明了缺陷產(chǎn)生的原因,并提出了相關(guān) 建議,以避免該類問題再次發(fā)生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

鋯錠缺陷的宏觀形貌如圖1所示,可見缺陷與 基體之間有清晰的界面,缺陷呈灰白色。

1.2 化學(xué)成分分析

鋯錠的化學(xué)成分分析結(jié)果如表1所示,可知該 鋯錠的化學(xué)成分滿足 GB/T26314—2010《鋯及鋯合金牌號和化學(xué)成分》對Zr-1鋯錠的要求。

1.3 金相檢驗

鋯錠的顯微組織形貌如圖2所示。由圖2可 知:鋯錠的缺陷與基體之間有明顯的界線,缺陷的心 部組織為等軸組織,且存在黑色夾雜物;缺陷邊部為 白色粗大的富α相區(qū)域;基體組織為粗大片狀的魏 氏組織。

1.4 硬度測試

在鋯錠缺陷的心部、邊部和基體位置取樣進(jìn)行 硬度測試,結(jié)果如表2所示,可見鋯錠缺陷的硬度遠(yuǎn) 大于基體的硬度,說明缺陷為硬脆物。

1.5 掃描電鏡(SEM)及能譜分析

在鋯錠缺陷的心部、邊部和基體位置取樣進(jìn)行 SEM 分析,結(jié)果如圖3所示。由圖3可知:缺陷心 部組織細(xì)小致密,缺陷心部的位置1~3處為夾雜 物,位置4處為等軸組織;缺陷邊部為富α相區(qū)域, 比基體亮度大;基體為粗大的片狀組織。

對缺陷心部區(qū)域(位置1~4)進(jìn)行能譜分析,結(jié) 果如表3所示。由表3可知:該缺陷夾雜物分為兩 類,一類是以銅元素為主體元素的含氧化合物,很可 能為氧化銅;另一類為鋯銅合金。

2 綜合分析

由上述理化檢驗結(jié)果可知:鋯錠缺陷和基體之 間有明顯的界線,硬度較大,說明鋯錠缺陷為硬脆相 夾雜物。缺陷的邊部組織為粗大的富α相,硬度約 為700HV,邊部組織區(qū)域的特征符合富α相硬偏 析的特征,且存在碳、氮、氧等元素富集的情況。碳、 氮、氧等元素的富集會使α相的相變溫度與硬度顯 著升高,導(dǎo)致基體已經(jīng)由α相轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪嗪?該區(qū)域還未發(fā)生相變,仍然保持α相,造成該區(qū)域α相富 集,這就是間隙元素偏析。因此,缺陷的邊部組織區(qū) 域為間隙元素偏析區(qū)域[4]。

缺陷的心部硬度約為880~1000HV,說明缺 陷心部為硬脆相夾雜物,夾雜物分為兩類,一類為間 隙元素與銅形成的硬夾雜物氧化銅,另一類夾雜物 為鋯銅合金。缺陷與基體之間存在明顯界線,可以 排除冒口未清除干凈而引入缺陷的可能,因此該間 隙元素偏析的形成原因有:熔煉前或熔煉過程中有 雜質(zhì)掉入熔池,或是制作自耗電極過程中帶入。這 兩種情況都會產(chǎn)生富α相過渡組織,顯微組織中都 會顯示出明顯的過渡區(qū)域。

這類間隙元素偏析是由碳、氮、氧等α相穩(wěn)定元 素局部富集,且與鋯元素形成氮化物、氧化物而引起 的。這類化合物的特征是硬而脆,會嚴(yán)重?fù)p害材料 的疲勞強度和塑性。碳、氮、氧元素的主要來源是海 綿鋯及掉入的廢料,或者是在制作自耗電極過程中 焊接帶入。缺陷的形成原因為:熔煉前或熔煉過程 中銅或氧化銅的引入形成了間隙元素偏析缺陷。

鋯錠基體中不含銅元素,銅的熔點遠(yuǎn)低于鋯的 熔點,如果海綿鋯中含有銅元素,在熔煉過程中,銅 元素會揮發(fā),不會殘留在鋯錠中,說明海綿鋯中不含 銅或氧化銅;熔煉時使用的銅坩堝完好無損,這就排除了坩堝引入銅的可能性,因此說明缺陷中的銅元 素是異常引入的。通過生產(chǎn)方了解到,在該鋯錠熔 煉前,剛剛?cè)蹮捦闦r-4鋯錠(含有Cu元素),電極上 殘留著未熔化的銅顆粒,引入了外來夾雜物,導(dǎo)致銅 元素被引入Zr-1鋯錠。

3 結(jié)論與建議

Zr-1鋯錠缺陷的形成原因為:熔煉時使用的電 極被污染,引入了外來夾雜物銅顆粒,未熔化的氧化 銅顆粒和熔化的銅形成了鋯銅合金,在缺陷心部形 成了硬脆相夾雜物,導(dǎo)致Zr-1鋯錠產(chǎn)生缺陷。

建議嚴(yán)格控制海綿鋯的質(zhì)量,提高自耗電極焊 接過程的真空度和清潔度。

參考文獻(xiàn):

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<文章來源>材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 59卷 > 3期 (pp:28-30)>