本發明涉及核裂變反應堆燃料組件結構材料的加工技術領域，具體涉及一種鋯合金包殼管材制備工藝。
背景技術：
燃料元件鋯合金包殼在堆內使用的安全性和可靠性對保證反應堆安全運行至關重要。燃料元件在堆內處于中子輻照、高溫、高壓冷卻介質沖刷等極端苛刻的工況環境中，會使鋯合金包殼性能退化，甚至導致失效。通常，在輕水堆中發生燃料元件包殼失效的主要原因有：水側腐蝕、氫脆、蠕變、疲勞、輻照損傷等，其中，水側腐蝕是導致燃料元件失效的主要因素。早期的鋯合金包殼材料主要有zr-2、zr-4合金，前者主要用于壓水堆，后者主要用于沸水堆，這兩種合金為astm標準zircaloy合金，隨著反應堆中燃料燃耗加深以及運行條件的變化，相應需要研制出性能更好的鋯合金包殼材料，改進鋯合金的加工工藝與開發新合金是包殼材料研制的兩個重要方面，缺一不可。
國際上持續開展了鋯合金包殼材料制備工藝及性能研究，如采用不同工藝制備zr-4合金、zirlo合金、e635合金、m5合金包殼管材等。通過不同合金的工藝對比可知：核反應堆用包殼管材的性能與合金成分及制備工藝密切相關。
目前，國內外主要開展了熱處理工藝參數對鋯合金包殼管材性能的影響，但是有關合金成分、變形工藝、熱處理工藝對其性能影響機制尚不統一，尤其針對zr-sn-nb系合金包殼管材的制備工藝研究未見系統報道。而現有技術中也未見有適用于n36鋯合金成品包殼管材制備工藝報道。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題是：現有技術中未見有適用于n36鋯合金成品包殼管材制備工藝報道的問題，目的在于提供了一種適用于n36鋯合金的鋯合金包殼管材制備工藝。
本發明通過下述技術方案實現：
一種鋯合金包殼管材制備工藝，包括：
(1)n36鋯合金經過熔煉、鍛造、淬火后制成擠壓錠；
(2)擠壓錠熱擠壓成外徑為71～79mm、內徑為40～50mm的管坯；
(3)管坯第一道次軋制成外徑為50～60mm、壁厚為10～11.5mm的管坯，軋制后退火；
(4)再進行3～4道次冷軋，最后制成包殼管材，相鄰兩道次冷軋之間進行中間退火；
(5)包殼管材最終去應力退火或最終再結晶退火后制成成品管材。
n36鋯合金是我國自主開發的、可滿足壓水堆高燃耗長燃料循環使用要求的燃料組件用新型鋯合金，其名義成分為zr-1sn-1nb-0.3fe，按本技術領域類別分類屬于zr-sn-nb系合金，合金中除sn、nb合金元素外，還含有fe、o等其它合金元素。
現有技術中并沒有公開采用n36鋯合金制備包殼管材的報道，為了能有效利用n36鋯合金制備出包殼管材，本發明提供了具體的制備工藝，但在生產過程中存在內表面裂紋或端頭易開裂的現象，導致成品率較低。發明人研發過程中發現，通過控制每道次變形量能有效解決內表面裂紋或端頭易開裂的問題，因而，在制備工藝中，本發明通過選擇合適的道次變形量，進而達到了提高成品率的目的。
并且，本發明通過每道次變形量的控制和步驟的優化組合后，不僅僅能有效適用于n36鋯合金成品包殼管材制備，使工藝穩定性好、成品率高。而且還能有效使第二相細小均勻彌散分布，提高包殼管材的綜合性能，效果十分顯著。
進一步，所述步驟(1)的具體步驟為：
在真空自耗電弧爐上進行n36鋯合金的三次熔煉，制備出成品n36鋯合金鑄錠；然后在1000～1150℃條件下將鑄錠鍛造成外徑為180～200mm的棒坯，分切成400mm～600mm長的棒料；將棒料放在1000～1150℃條件下進行均勻化加熱保溫處理，保溫5min～240min后水淬，冷卻后的棒料加工成外徑為175～195mm的擠壓錠。
所述步驟(2)的具體步驟為：
采用玻璃涂層包覆擠壓錠，然后通過加熱使擠壓錠加熱至560～680℃，保溫5min～180min，然后進行擠壓，擠壓速度控制在≤10mm/s，擠壓比控制在6～12，擠壓成外徑為71～79mm、內徑為40～50mm的管坯。
所述步驟(3)中第一道次軋制的變形量控制在45％～75％，減壁減徑比控制在1.2～1.5。所述步驟(4)中每道次冷軋變形量控制在60％-85％，最終道次的冷軋減壁減徑比不低于1.2。減壁減徑比為相對減壁量與相對減徑量的比值。
所述步驟(4)和(5)中，累計退火參數a為8.08×10-21h～1.45×10-18h，退火后成品管材中第二相平均尺寸小于100nm；其中累計退火參數a的計算公式為：a＝∑tiexp(-q/rti)，ti為β相淬火后的退火時間變量，ti為β相淬火后的溫度變量，q為激活能，r為氣體常數，q/r＝40000k。因累計退火參數a的計算公式屬于現有技術，在此不再贅述。
所述步驟(3)中第一道次軋制后的退火溫度為540℃～650℃；所述步驟(4)的中間退火的溫度為540℃～650℃；所述步驟(5)中的最終去應力退火的溫度為400℃～500℃，最終再結晶退火的溫度為540℃～650℃。
由于通過現有技術中不同合金的工藝對比得知：核反應堆用包殼管材的性能與合金成分及制備工藝密切相關，不同的工藝參數對成品的性能具有重要影響，適用于其中一種合金材料的管材制備工藝并不適用于另一種合金材料。因而，現有技術中的其他類型的鋯合金包殼材料制備工藝并不能很好地適用于本發明所述的n36鋯合金包殼材料的制備。
通過本發明方法中上述工藝參數的優化后，該方法所制備的n36鋯合金包殼管材具有顯微組織均勻，晶粒細小，第二相粒子細小、彌散均勻分布等優點，如圖1所示。并且，本發明方法制備的n36鋯合金包殼管材抗腐蝕性能、拉伸性能、蠕變性能、爆破性能、織構、csr等性能優異；本發明制備的n36鋯合金包殼管材應用到堆內時具有良好的抗腐蝕、蠕變性能、輻照生長性能。
更進一步，所述均勻化加熱保溫處理的方式為：
在1000～1150℃進行感應加熱，保溫5min～20min；或在1000～1150℃條件下進行電阻爐加熱，保溫100min～240min。
所述擠壓錠的加熱方式有兩種，一種是采用感應加熱至600～680℃，保溫5min～20min；另一種是采用電阻爐進行加熱至600～680℃，保溫120min～180min。
優選地，所述步驟(5)中的成品管材進行精整，精整包括：矯直處理、噴砂處理、拋光處理。所述矯直處理后，成品管材的直線度≤0.25mm/300mm；噴砂處理后，成品管材的內徑去除量在2～10μm；拋光處理后，成品管材的外徑去除量在5～20μm。
本發明與現有技術相比，具有如下的優點和有益效果：
1、本發明工藝穩定性好、成品率高；
2、本發明制備的n36鋯合金成品包殼管材顯微組織均勻，晶粒細小，第二相粒子細小、彌散均勻分布；
3、本發明制備的n36鋯合金成品包殼管材抗腐蝕性能、拉伸性能、爆破性能、織構、csr等性能優異；
4、本發明制備的n36鋯合金成品包殼管材在堆內具有良好的抗腐蝕、蠕變性能、輻照生長性能。
附圖說明
此處所說明的附圖用來提供對本發明實施例的進一步理解，構成本申請的一部分，并不構成對本發明實施例的限定。在附圖中：
圖1為本發明制備的n36鋯合金成品在不同倍數下的顯微組織特征圖。
具體實施方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，下面結合實施例和附圖，對本發明作進一步的詳細說明，本發明的示意性實施方式及其說明僅用于解釋本發明，并不作為對本發明的限定。
實施例1
一種鋯合金包殼管材制備工藝，包括：
(1)擠壓坯錠的制備
在真空自耗電弧爐上進行n36鋯合金的三次熔煉，制備出成品n36鋯合金鑄錠；然后采用2500噸快鍛機對鑄錠在1050℃鍛造成
水淬時，冷卻水的體積不小于淬火棒坯體積的40倍，轉移時間控制在40s以內。
(2)管坯擠壓
在4000噸擠壓機上，采用玻璃涂層包覆擠壓錠，然后通過感應加熱方式使坯料加熱至620℃，保溫15min，然后轉移到擠壓機上進行擠壓，擠壓采用慢速擠壓，速度控制在8mm/s，擠壓成
(3)第一道次軋制及中間退火
第一道次軋制后尺寸為
(4)多道次冷軋及中間退火
開展三到四道次冷軋，連續軋制成
(5)最終退火
最終道次冷軋后，在560℃進行真空退火，本發明過程中累計退火參數a為8.08×10-21h～1.05×10-19h，退火后成品管材中第二相平均尺寸小于100nm。其中，a的計算公式為：a＝∑tiexp(-q/rti)，該公式中，ti和ti為β相淬火后的退火時間(h)和溫度(k)變量，q為激活能，r為氣體常數，q/r＝40000k。
(6)成品管材精整
退火后的成品管材在多輥矯直機上進行矯直，矯直后管材的直線度≤0.25mm/300mm；在全自動內表面噴砂機上進行內表面噴砂，噴砂后管材的內徑去除量在8μm；在管材全自動拋光機上進行外表面拋光，拋光后管材的外徑去除量在12μm；經上述成品管材精整工序后管材的內外表面質量ra≤0.8μm，最終的成品管材需經過超聲探傷、渦流探傷及性能檢測，合格后的管材可以用來制備燃料組件。
通過本發明方法制備的n36鋯合金包殼管材抗腐蝕性能、拉伸性能、蠕變性能、爆破性能、織構、csr等性能優異；本發明制備的n36鋯合金包殼管材應用到堆內時具有良好的抗腐蝕、蠕變性能、輻照生長性能。
實施例2
本實施例與實施例1的區別在于，本實施例中各步驟的工藝參數不同，具體設置如下：
步驟(2)的管坯擠壓過程中，采用電阻爐進行加熱，加熱至680℃，保溫150min后再進行擠壓。
步驟(3)的第一道次軋制及中間退火過程中，第一道次軋制后中間退火溫度為650℃。
步驟(5)中最終道次冷軋后，是在640℃進行最終再結晶退火。
實施例3
本實施例與實施例1的區別在于，本實施例中各步驟的工藝參數不同，具體設置如下：
步驟(2)的管坯擠壓過程中，采用感應加熱方式進行加熱，加熱至580℃，保溫15min后再進行擠壓。
步驟(3)的第一道次軋制及中間退火過程中，第一道次軋制后中間退火溫度為570℃。
步驟(5)中最終道次冷軋后，是在450℃進行最終去應力退火。
實施例4
本實施例與實施例1的區別在于，本實施例中各步驟的擠壓坯及管坯規格不同，具體設置如下：
步驟(1)的擠壓坯錠的制備過程中，通過鑄錠熔煉、鍛造、淬火機加加工成
步驟(2)的管坯擠壓過程中，熱擠壓成
步驟(3)的第一道次軋制及中間退火過程中，第一道次軋制后尺寸為
實施例5
本實施例與實施例1的區別在于，本實施例中各步驟的擠壓坯及管坯規格不同，具體設置如下：
步驟(1)的擠壓坯錠的制備過程中，通過鑄錠熔煉、鍛造、淬火機加加工成
步驟(2)的管坯擠壓過程中，熱擠壓成
步驟(3)的第一道次軋制及中間退火過程中，第一道次軋制后尺寸為
對上述實施例制成的成品管材進行各項性能的檢測，檢測結果如表1所示。
表1
通過上述表1可知：本發明能極大的提高工藝穩定性，進而顯著提高成品率，并且具有優異的綜合性能，抗腐蝕性能優異。
以上所述的具體實施方式，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施方式而已，并不用于限定本發明的保護范圍，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。