一种改善锆合金棒材芯部质量轧制方法及工装

技术领域

本发明涉及金属的轧制方法，尤其涉及一种改善锆合金棒材芯部质量轧制方法。

背景技术

锆合金棒材作为核反应堆内部组件的重要组成部分，其材料性能的优劣直接关系到反应堆的安全。

除常规室温和高温力学性能要求外，对棒材低倍组织也有严格的要求，因为在核反应中，压力和水侧腐蚀双重作用下，低倍组织缺陷会成为材料的薄弱环节。

棒材Pilger(皮尔格)冷轧制工艺由于其较高的尺寸精度、表面质量及高成品率已被大量使用，成为核燃料棒材加工的重要手段。但传统的轧制工艺，如孔型曲线设计和变形量分布仍参考Pilger管材轧制思路，以谢瓦金为代表的经典设计法、以瑞典格能隆公司安斯顿教授为代表的格能隆设计法和德国内斯曼德马克公司建立的德马克设计法，以此设计方法设计的孔型和变形量分布。

在棒坯轧制生产中，若采用Pilger(皮尔格)管材轧制思路设计的孔形进行棒材轧制，在组织检测样品经过酸腐处理后，其出现棒材芯部颜色异于边部的“白芯”现象，这种低倍组织的异常现象并不是裂纹、折叠、气孔、偏析、缩尾、疏松、金属或非金属夹杂及其它目视可见的冶金缺陷的反映，而是由Pilger管材轧制思路应用至棒材中时引起的一种宏观色差现象，其表现为该白色区域在显微镜下观察时存在密集的腐蚀坑。

而抗腐蚀特性作为衡量核反应堆专用材料的重要指标，该低倍组织白芯对核反应堆使用的安全可靠性带来挑战，利用Pilger轧制反应堆燃料组件中端塞棒、上下连接棒、可燃毒物棒等场景，也均面临此问题，因此，在采用Pilger方式对棒材轧制时，如何减少降低加工棒材的白芯，是一个需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种改善锆合金棒材芯部质量轧制方法，为解决现有技术中棒材应用皮尔格轧制时出现白芯的技术问题。

为解决上述技术问题，根据一些实施例，第一方面，本发明提供了一种改善锆合金棒材芯部质量轧制方法，其特征在于，包括：

采用初始设计的孔型曲线及变形量分布，对锆合金棒的坯料进行皮尔格轧制，获得轧制后的变形锥体及棒材；

将所述变形锥体及所述棒材按规律进行纵向和横向解剖，获得不同空间位置的金属组织变形和变化样品；

确定所述样品的整个空间范围的材料组织织构面的组织白芯范围是否符合优化条件，所述优化条件具体包括：沿所述锆合金棒的坯料至轧制后的棒材方向，面织构分布在从中心到60°的圆周范围内，芯部与边部衍射强度差在8％-30％内；

对所述锆合金棒的坯料轧制时的变形段的长度进行调整优化，包括：根据所述初始设计的孔型曲线及变形量分布，确定二次设计的孔型曲线及变形量分布；

采用所述二次设计的孔型曲线及变形量分布，对锆合金棒的坯料进行皮尔格轧制，获得改善后的锆合金棒材。

在一些实施例中，所述根据所述初始设计的孔型曲线及变形量分布，确定二次设计的孔型曲线及变形量分布，具体包括：

根据所述初始设计的孔型曲线及变形量分布，确定轧制后的变形锥体及棒材的加工区域L

调整所述二次设计的加工区域EL

沿着所述加工区域由粗变细的方向，在(2/3)L

在一些实施例中，还包括：

根据调整后的所述二次加工区域EL

根据重新确定的参数，重新制作孔型和分配各段变形量。

在一些实施例中，所述初始设计的孔型曲线及变形量分布，具体包括：

采用如下公式，计算孔型顶部直径D

其中，L

在一些实施例中，，所述C

其中，EXP1为孔型顶部曲线变化特性指数(简称孔型指数)，根据所轧制材料的金属的特性确定。

在一些实施例中，所述EXP1的取值范围为2.0-3.5。

在一些实施例中，所述Z为以mm表示的在直径方向上所要求的孔型最小锥度，根据L

其中：β

在一些实施例中，n

其中，EXP2为两种间隙之和对孔型曲线的影响的指数(简称间隙指数)。

在一些实施例中，所述EXP2的取值为2.0。

在一些实施例中，所述初始设计的孔型曲线及变形量分布，还包括：

计算孔型轧槽深度TX，其公式如下：

其中，Sp为上下孔型之间的间隙。

在一些实施例中，所述初始设计的孔型曲线及变形量分布，还包括：

动坐标为

其中，L

第二方面，本发明实施例还提供了一种改善锆合金棒材芯部质量轧制工装，所述工装为根据第一方面的任一项方法确定的工装。

本发明的上述技术方案至少具有如下有益的技术效果：本发明实施例的技术方案，通过分析轧制后的初始设计的孔型曲线及变形量分布，寻找白芯的规律，确定产生白芯后，依据初始设计的孔型曲线及变形量分布重新进行二次设计，针对初始轧制后的变形锥体及棒材中的变形段(加工段)重新设计，将皮尔格轧制过程中产生的力传递到棒材的中心，使得其棒材的横截面的边部、芯部金属流速差异变小，对应的组织织构差异也就越小，即横截面上金属晶粒发生转动形成的面织构含量减少，越不发白，以此改善宏观上的棒材芯部质量问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一个实施例改善锆合金棒材芯部质量轧制方法过程示意图；

图2是本发明一个实施例L

图3是本发明一个实施例变形锥体及孔型顶部曲线图；

图4是本发明一个实施例轧制前棒材坯料示意图；

图5是本发明一个实施例变形锥体及棒材；

图6是本发明一个实施例制备不同空间位置的金属组织变形和变化样品示意图；

图7是本发明一个实施例确定材料组织演变规律示意图；

图8是本发明一个实施例的孔形形状图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

若本申请实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征；各个实施例之间的技术方案可以相互结合，以本领域普通技术人员能够实现为基础。

本申请实施例中当提及A和/或B时均表示，A、B，以及，A和B三种情况。

需要注意的是，本申请中所提及的先后顺序的序号，在实际的具体实现过程中，并不代表一定要严格按着先后顺序号来执行，是为了区分每个步骤，防止产生混淆。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

目前，现有技术中采用Pilger方式对棒材轧制时，加工后的棒材会出现白芯现象，而抗腐蚀特性作为衡量核反应堆专用材料的重要指标，该低倍组织白芯对核反应堆使用的安全可靠性带来挑战，因此，在棒材的Pilger轧制过程中，如何减少降低加工棒材的白芯，是一个需要解决的技术问题。

经过实验分析，棒坯轧制生产中，采用Pilger轧制会导致棒材内外层金属流速差异较大，引起金属微区组织结构差异，最终在组织检测样品经过酸腐处理后，其出现棒材芯部颜色异于边部的“白芯”现象

在棒坯轧制生产中，会导致棒材内外层金属流速差异较大，引起金属微区组织结构差异，最终在组织检测样品经过酸腐处理后，其出现棒材芯部颜色异于边部的“白芯”现象。这种低倍组织的异常现象并不是裂纹、折叠、气孔、偏析、缩尾、疏松、金属或非金属夹杂及其它目视可见的冶金缺陷的反映，而是由Pilger管材轧制思路设计的孔型曲线和变形量分配不佳，导致的金属芯部晶粒发生转动形成的大量面织构而引起的一种宏观色差现象，其表现为该白色区域在显微镜下观察时存在密集的腐蚀坑。

因此，通过对设计的棒材专用孔型曲线和变形量分布下，轧制的棒材横截面区域进行X射线衍射织构测定、硬度测试、腐蚀测试，从而确定棒材纵向、横向截面晶面的材料组织织构面和白芯范围，获取晶粒取向信息、金属变形机理及组织演变规律，以此为基础，再次优化设计棒材孔型曲线、分配恰当轧制外径变形量，并据此进行Pilger轧制，使得其横截面的边部、芯部金属流速差异变小，对应的组织织构差异也就越小，即横截面上金属晶粒发生转动形成的面织构含量减少，越不发白，以此改善宏观上的棒材芯部质量问题。

基于上述发明构思，本发明一实施例提供了一种改善锆合金棒材芯部质量轧制方法，包括：

采用初始设计的孔型曲线及变形量分布，对锆合金棒的坯料进行皮尔格轧制，获得轧制后的变形锥体及棒材；

将变形锥体及棒材按规律进行纵向和横向解剖，获得不同空间位置的金属组织变形和变化样品；

确定样品的整个空间范围的材料组织织构面的组织白芯范围是否符合优化条件，优化条件具体包括：沿所述锆合金棒的坯料至轧制后的棒材方向，面织构分布在从中心到60°的圆周范围内，芯部与边部衍射强度差在8％-30％内；

对锆合金棒的坯料轧制时的变形段的长度进行调整优化，包括：根据初始设计的孔型曲线及变形量分布，确定二次设计的孔型曲线及变形量分布；

采用二次设计的孔型曲线及变形量分布，对锆合金棒的坯料进行皮尔格轧制，获得改善后的锆合金棒材。

以下通过具体的实施例进行说明，如图1所示。

S101：采用初始设计的孔型曲线及变形量分布，对锆合金棒的坯料进行皮尔格轧制，获得轧制后的变形锥体及棒材。

在进行皮尔格轧制时，对棒材的轧制与管材的轧制不同，初始设计的孔型曲线及变形量分布，可以简单的理解为根据皮尔格轧制时初始设计的孔型曲线及变形量分布，将用于管材的轧制方式应用在了棒材时的轧制时的状态。

坯料准备时，选用一定长度的的锆合金棒作为坯料，其尺寸规格由轧制工艺确定。使用初始设计的孔型曲线进行坯料的Pilger轧制，获得轧制后变形锥体及棒材。

S102：将变形锥体及棒材按规律进行纵向和横向解剖，获得不同空间位置的金属组织变形和变化样品。

如图2所示，将变形锥体及棒材按规律进行纵向和横向解剖，获得不同空间位置的金属组织变形和变化样品。

S103：确定样品的整个空间范围的材料组织织构面的组织白芯范围是否符合优化条件，优化条件具体包括：沿所述锆合金棒的坯料至轧制后的棒材方向，面织构分布在从中心到60°的圆周范围内，芯部与边部衍射强度差在8％-30％内。

通过上述步骤，在获得不同空间位置的金属组织变形和变化样品后，可以对样品进行纵向、横向截面进行X射线衍射织构测定、硬度测试、腐蚀测试等，来获得不同空间位置的金属组织变形和变化样品，从而确定棒坯轧制成棒材变形过程中整个空间范围的材料组织织构面和白芯范围，进而获取晶粒取向信息、金属变形机理及组织演变规律。

比如，若是Zr-4合金棒材，可将{100}{110}面织构分布在从中心到约60°的圆周范围内，芯部与边部衍射强度差在8％-30％内即为本申请认为的样品组织白芯范围，其它材料，可根据材料的X射线衍射织构测定、硬度测试、腐蚀测试等方式，确定合适的面。

S104：对锆合金棒的坯料轧制时的变形段的长度进行调整优化，包括：根据初始设计的孔型曲线及变形量分布，确定二次设计的孔型曲线及变形量分布。

初始设计时确定的孔型曲线及变形量分布已产生了白芯，因此初始设计已经不能满足要求，需要重新二次设计孔型曲线及变形量分布。

在二次设计孔型曲线及变形量分布时，基于初始设计，针对初始轧制后的变形锥体及棒材中的变形段(加工段)，缩短轧制后的棒材变形段的长度，增大变形段的最小锥度Z，将力传递到棒材的中心，使得其棒材的横截面的边部、芯部金属流速差异变小，对应的组织织构差异也就越小，即横截面上金属晶粒发生转动形成的{100}{110}面织构含量减少，越不发白，以此改善宏观上的棒材芯部质量问题。

S105：采用二次设计的孔型曲线及变形量分布，对锆合金棒的坯料进行皮尔格轧制，获得改善后的锆合金棒材。

根据调整的后的孔型曲线及变形量分布确定的各个参数，重新制作工装，对锆合金棒的坯料进行皮尔格轧制，轧制出的棒材再经过除油、退火等常规加工后，低倍组织白芯将得到较大改善，获得改善后的锆合金棒材。

本发明实施例的技术方案，通过分析轧制后的初始设计的孔型曲线及变形量分布，寻找白芯的规律，确定产生白芯后，依据初始设计的孔型曲线及变形量分布重新进行二次设计，针对初始轧制后的变形锥体及棒材中的变形段(加工段)重新设计，将皮尔格轧制过程中产生的力传递到棒材的中心，使得其棒材的横截面的边部、芯部金属流速差异变小，对应的组织织构差异也就越小，即横截面上金属晶粒发生转动形成的面织构含量减少，越不发白，以此改善宏观上的棒材芯部质量问题。

可选的，作为其中一种实施例，根据初始设计的孔型曲线及变形量分布，确定二次设计的孔型曲线及变形量分布，具体包括：

根据初始设计的孔型曲线及变形量分布，确定轧制后的变形锥体及棒材的加工区域L

调整二次设计的加工区域EL

沿着加工区域由粗变细的方向，在(2/3)L

即，EL

如图3所示，沿着沿着加工区域由粗变细的方向，即是指从图3的上端至下端方向，在(2/3)L

在(2/3)L

即在(2/3)L

具体调整的参数可参见图2所示。

二次设计的孔型曲线及变形量分布的调整，是基于缩短初始加工区域L

可选的，根据调整后的所述二次加工区域EL

根据重新确定的参数，重新制作孔型和分配各段变形量。

可选的，作为其中一种实施例，所述初始设计的孔型曲线及变形量分布，具体包括：

采用如下公式，计算孔型顶部直径D

如图3所示，图3为本申请变形锥体及孔型顶部曲线图，图中画圈的参数，为本申请重点关注的参数。

其中，L

所述C

其中，EXP1为孔型顶部曲线变化特性指数(简称孔型指数)，根据所轧制材料的金属的特性确定。

所述EXP1的取值范围可以为2.0-3.5之间。

可选的，所述Z为以mm表示的在直径方向上所要求的孔型最小锥度，根据L

其中：β

可选的，所述EXP2的取值为2.0。

可选的，所述初始设计的孔型曲线及变形量分布，还包括：

计算孔型轧槽深度TX，其公式如下：

其中，Sp为上下孔型之间的间隙。

可选的，作为其中一种实施例，所述初始设计的孔型曲线及变形量分布，还包括：

动坐标为

其中，L

以下通过具体实施例进行说明。

如图3所示，图3为轧制后的变形锥体及孔型顶部曲线图。

本申请的孔型曲线和变形量分布针对棒材Pilger轧制专门设计，其特点是计算外径(孔型顶部直径)时，不考虑内径和壁厚，仅仅是给定如下系数后，按本申请的公式，计算孔型顶部直径D

再根据上述公式(1)计算出的孔型顶部直径D

然后再根据公式(3)，针对孔型设计中动坐标为

对孔型顶部直径D

计算公式如下：

式中：D

C

——计算截面x相对于0点的动座标。

L

EXP1——孔型顶部曲线变化特性指数(简称孔型指数，下同)它由所轧金属的特性来决定，EXP1取值为2.0-3.5之间。

D

D

Z——以mm表示的在直径方向上所要求的孔型最小锥度，

其中：β

la——入口棒材外径与孔槽在

nX—la间隙修正系数，

EXP2——反映两种间隙之和对孔型曲线的影响的指数(简称间隙指数)一般取EXP2为2.0。

根据上述计算出的孔型顶部直径D

式中，Sp——模块(上下孔型)之间的间隙，如图8所示。

针对孔型设计中动坐标为

式中：

L

DR——轧辊轴上小齿轮的节圆直径；

GX——计算截面位置的角度；

为更清楚的说明本发明实施例的具体过程，本发明实施例进行完整的叙述。

坯料准备，选用一定长度的的锆合金棒作为坯料，其尺寸规格由轧制工艺确定，如图4所示，当前锆合金棒作为坯料的直径为D

使用设计的孔型曲线进行坯料的Pilger轧制，获得轧制后变形锥体及棒材，如图5所示。

将轧制后变形锥体及连接的棒材进行纵向和横向解剖，制备不同空间位置的金属组织变形和变化样品，如图6所示。

对样品纵向、横向截面进行X射线衍射织构测定、硬度测试、腐蚀测试，从而确定棒坯轧制成棒材变形过程中整个空间范围的材料组织织构面和白芯范围，获取晶粒取向信息、金属变形机理及组织演变规律，如图7所示。

从图中可以看出，{100}{110}面织构分布在从中心到约60°的圆周范围内，芯部与边部衍射强度差在8％-30％内即为组织白芯范围。

根据样品材料组织演变规律和白芯范围对L

通过优化后的L

根据公式(2)进一步计算出孔型轧槽深度TX，以及公式(3)，计算出角度位置GX。

根据调整优化后的D

本发明实施例还提供了一种改善锆合金棒材芯部质量轧制工装，工装为根据上述实施例的任一项方法确定的工装。

显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

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。