核用锆-4合金迷你燃料板的金相研究

引言

1978年，美国能源部启动RERTR计划（降低研究堆、试验堆铀浓度计划：Reduced Enrichment for Research and Test Reactors），其目的在于用低浓度铀（LEU：Low Enriched Uranium）取代目前使用的高浓度铀（HEU：Highly Enriched Uranium）燃料。

自2003年以来，“全球减少威胁倡议”（GTRI：Initiative for Global Threat Reduction）强调了从高浓度铀向低浓度铀的转变，并倡导探究和开发一种具备高密度的新化合物或铀合金，以应对235U同位素的减少。

阿根廷国家原子能委员会（CNEA：National Commission of Atomic Energy）同时响应两个项目的倡议，并成立了科学家团队，研究一种新型迷你燃料板，该燃料板使用锆-4合金（Zry-4）作为框架，中心是铀-钼合金(U-Mo)。锆-4合金在核工业中广为人知，它具有较强的中子俘获截能力，优良的力学性能以及抗腐蚀能力。迷你燃料板具有双表面涂层，中心为铀-钼合金，框架为锆-4合金，经由焊接和热轧工艺制成。

众所周知，材料的力学性能很大程度上取决于其微观结构还有热处理技术。因此，测量锆-4合金的微观结构和微观硬度在热轧阶段（温度T约为650°C）和焊接阶段的变化是非常有必要的。

本实验旨在研究热轧和TIG焊(非熔化极惰性气体钨极保护焊)过程的不同阶段中，迷你燃料板边缘以及中心的变化，以确定温度的上升是否对生产过程造成影响。

方法

该金相研究方法遵循以下规则：

a. 样品的准备符合ASTM E-3标准

b. 微观结构的开发符合ASTM E—407标准

c. 维氏微观硬度检测符合ASTM E-384标准

在650°C，我们将表面涂料及框架生产中所使用的Zry-4合金条、迷你燃料板进行层压，并用维氏微观硬度仪和金相显微镜进行观察。

经十次卷曲层压，宽度为8mm的合金条被压成2.4mm的薄片，每次宽度减少约11%。接着再经四次卷曲层压，将2.4mm的合金条变为1.1mm，每次宽度减少18%。迷你燃料板的层压工序前后共需15次。

实验和结果

图1 8mm Zry-4合金条

Zry-4合金条的微观结构分析

图1表示8mm合金条样本的宏观尺寸。箭头指向垂直于卷轴的方向。图2表示合金条A2的微观结构。可见合金沿卷轴方向具有拉伸形貌。图3表示合金样品从8mm层压至2.4mm。共需10次卷曲，每次卷曲需在加热熔炉中保温15分钟，每次宽度平均减少11%。图4表示样本沿卷曲方向的各点微观形貌趋于一致。图5表示经四次卷曲层压，1.1mm宽的合金条宽的微观结构。

图2 8mm合金条样本的微观结构

图3 将合金条卷曲层压至2.4mm

图4卷曲至2.4mm后合金条的微观形貌

图5经四次卷曲层压，将2.4mm的合金条宽度减为1.1mm，得到其微观结构，如右图所示

上述样本中的均相结构集中于卷轴方向。表1是三个样品的微观硬度数值。

表1 三个样品的微观硬度

迷你燃料版的微观结构分析

影响Zry-4的微观结构的主要因素是迷你燃料板的焊接过程，由于温度升高，合金将有可能吸收空气中的杂质，则会影响其微观结构；而卷曲层压过程则是第二主要的因素。

图6展示的是未覆盖涂料的迷你燃料板的宏观图像，用于评估焊接过程中微观结构的变化。

图6 未覆盖涂料的迷你燃料板

图7表示热影响区外的结构，称为基材（Base Material）。该等轴晶粒各相同性。图8是热影响区的微观结构，自燃料板边缘至中心，长度约为2.5mm。焊接过程中，材料加热至熔融温度，在此温度下，基材的晶粒结构从α-相过渡至β-相，进而变成液体。同时，焊接边缘将出现形变挛晶。材料一旦冷却，焊接区呈现针尖状的的晶粒结构，并包裹于β-相晶界中。