锆合金条带消应力热处理尺寸补偿试验*

2020-11-18李俊颀孙效禹叶远东蔡贵川盛国福余国严

机械研究与应用 2020年5期

李俊颀，孙效禹，叶远东，蔡贵川，成熙，盛国福，余国严

(中广核铀业发展有限公司中广核先进燃料工程试验中心，广东阳江 529500)

0 引言

锆是一种性能优良的稀有金属，在化学周期表中位于Ⅳ-B族，原子质量是91.22，具有良好的塑性与强度[1-2]，并且在高温纯水中耐腐蚀性能与不锈钢相近，但是热中子吸收能力是不锈钢1/15，因此在原子能工业得到了广泛的应用，是反应堆唯一使用的燃料元件包壳材料[3-4]。

燃料组件主要支撑构件格架由条带组装，焊接而成。图1为某型号条带结构示意图，其厚度为0.457 mm，条带表面分布有16个装配细槽，将整个条带分隔为17组栅元，每组栅元上有1个条带弹簧和2个刚凸，用于支撑燃料棒。由于条带在冲压过程中会产生残余应力，影响组件堆内运行的稳定，因此需要对锆合金格架条带进行消应力热处理，避免条带上的成型特征在堆内发生应力松弛造成变形。

图1 条带外形结构图

热处理后，由于应力释放，会造成成型特征回弹，尺寸收缩，因此需要对尺寸进行一定补偿。尺寸补偿的难点主要在于两点：①由于不同特征的成型尺寸不同，强度不同，设计尺寸补偿时，需综合考虑所有成型特征，避免在补偿部分特征的尺寸后，造成其它尺寸超差；②相同特征冲压尺寸不同，热处理后回弹量可能不同[5-6]，如条带弹簧冲压尺寸分别在上限和下限时，热处理后回弹尺寸会有差异，因此需要对同一个特征的不同尺寸做工艺试验。

笔者选择某种锆合金条带的两个典型特征进行分析，初步设计了尺寸补偿参数，通过热处理工艺试验，验证了该参数的合理性。最后选用500片条带进行批量热处理试验，通过大批量试验，最终验证该尺寸参数的适用性。

1 试验材料与方法

实验材料选用的是国核宝钛公司生产的CZ合金，采用真空气淬炉进行消应力热处理，工艺参数如表1所列。

表1 消应力热处理工艺参数

依据相关技术要求，采用如下工艺对锆合金条带进行消应力热处理，工艺曲线如图2所示。

图2 锆合金零部件消应力热处理循环曲线

2 试验结果及分析

2.1 条带弹簧尺寸补偿设计试验

图3为某型号条带弹簧，其长为20.6 mm，宽为4±0.05 mm，高度名义尺寸是1.83 mm，位置度0.1；表明高度尺寸最大值不能超过1.88 mm，最小值不能低于1.78 mm。弹簧尺寸有以下两个特点：①长宽比较高，强度低，不易控制热处理后尺寸；②条带弹簧形状为弧形，其半径为R20 mm的圆弧，需要注意防止过冲，以防形状变形。为确定补偿尺寸，首先做一轮消应力热处理工艺试验，设计弹簧高度冲压尺寸是1.92、1.9、1.88、1.86、1.84、1.82、1.80、1.78 mm共8组，每组有2个试样。消应力热处理后条带弹簧尺寸变化如表2所列。

图3 条带弹簧外形结构图

表2 条带弹簧消应力热处理试验结果统计 /mm

其统计图如图4所示，热处理后弹簧高度降低约0.01～0.04 mm，平均降低0.031 mm，收缩了约1.67%，其中热处理前弹簧高度为1.816～1.9 mm时，热处理后尺寸合格。在保证冲压合格率前提下，经过仔细的分析和评估，暂定热处理前冲压尺寸为1.85±0.04 mm，这样经热处理后，其高度尺寸会在中值附近。

图4 条带弹簧消应力热处理前后尺寸统计图

2.2 刚凸高度尺寸补偿设计试验

刚凸外形如图5所示，其长度约为6.6 mm，宽度为3±0.05 mm，高度名义尺寸是1.35 mm，位置度0.06；表明其尺寸最大值不能超过1.38 mm，最小值不能低于1.32 mm。与弹簧不同的是，刚凸长宽比较低，形状近似于圆角矩形，结构紧凑，热处理后回弹应比条带弹簧小。为确定补偿尺寸，首先做一轮工艺试验，设计冲压尺寸是1.4、1.38、1.36、1.34 mm共4组，每组2个试样。