李晓涛, 黄海堂, 杨静远, 何曲波, 李卫民, 郑雅文

(1. 中广核工程有限公司, 广东 深圳 518124; 2. 重庆材料研究院有限公司, 重庆 400707;3. 生态环境部核与辐射安全中心, 北京 100082;4. 上海洛丁森工业自动化设备有限公司, 上海 210018)

核级压力变送器广泛应用于核电站过程控制中压力、流量及液位的测量,将过程工艺参数转换为4～20 mA DC标准信号输出,并执行核安全相关功能,相关的工艺测点多、分布广泛,是保障核电机组安全可靠运行的控制系统中最为关键的仪表之一[1-3]。

核级压力变送器的传感器多为电容式、电感式和机械式,但以金属电容式原理为主,变送器部分则采用传统的模拟电路[2]。过去我国针对核级压力变送器进行过国产化尝试,但在实际应用过程中发现国产产品还存在一系列的问题,集中体现在其长期稳定性及可靠性较差[4]。导致这些问题的影响因素较多,其中传感器的稳定性及可靠性与基础材料相关,特别是传感器中关键的测量膜片,由于国产的恒弹性合金材料组织性能无法满足要求,一直以来都依赖进口[5-6]。

测量膜片是电容式核级压力变送器中最重要的敏感材料,一般选用3J53铁磁性恒弹性合金带材,国产材料在实际应用中还存在稳定性和可靠性较差等问题,限制了其国产化应用。本文对电容式核级压力变送器测量膜片材料3J53合金在不同热处理状态下的组织性能进行了研究,完善了材料制造工艺,与国外成熟材料进行了对比分析,通过了相应的测试及验证,为测量膜片材料3J53合金批量生产和国产化应用提供了技术和数据支撑。

1 试验材料及方法

3J53合金作为目前应用最为广泛的铁磁性恒弹性合金,具有优异的恒弹性性能[7]。本次试验所用材料为3J53合金带材,执行标准为YB/T 5256—2011《弹性元件用合金3J1和3J53》,主要化学成分如表1所示。

表1 3J53合金的化学成分(质量分数,%)

为确定材料热处理工艺的技术路线,以冷轧后的3J53合金带材(变形量为60%)为试验材料,研究固溶处理温度、固溶处理时间、固溶处理+时效处理以及固溶处理+冷轧+时效处理对其组织和性能的影响。在固溶处理随温度变化制度中,所选固溶温度范围为800～1070 ℃,炉内保温时间为10 min,快冷。在固溶处理随时间变化制度中,固溶温度为980 ℃,保温时间为3～20 min,快冷。在时效处理制度中,所选时效温度范围为650～700 ℃,炉内保温时间为5 h,空冷。在组织性能分析方面,采用OLYMPUS-GX51金相显微镜进行显微组织和晶粒度的观察;采用FALCON显微维氏硬度计进行硬度测试,载荷砝码为200 g,加载时间为10～15 s。

2 材料组织性能调控技术研究

2.1 固溶温度对3J53合金组织性能的影响

为了获得3J53合金的过饱和固溶体,为随后的时效处理作组织准备,需要对3J53合金进行固溶处理,以获得良好的工艺性能和使用性能。经800～1070 ℃×10 min固溶后的3J53合金显微组织如图1所示,晶粒度和硬度的测试结果如表2所示。

表2 3J53合金冷轧态和800～1070 ℃固溶处理后的硬度与晶粒度

冷轧后,晶粒沿着加工方向被拉长(如图1(a)所示),呈现出明显的加工流线,材料发生形变强化。800 ℃固溶处理后,试样的显微组织几乎不发生变化(如图1(b)所示),但硬度从冷轧态的337 HV0.2增加到413 HV0.2,可能是第二相析出导致的硬度升高超过了回复引起的硬度下降。随着固溶温度的升高,回复和再结晶逐渐占主导,硬度持续下降。890 ℃固溶处理后,获得了均匀的、完全再结晶的奥氏体组织(如图1(e)所示),晶粒度达到了10级,孪晶界的比例较大,与此同时,硬度急剧降低至178 HV0.2,表明3J53合金试样再结晶临界温度为890 ℃左右。随着固溶温度的进一步升高,晶粒度逐渐减小,1010 ℃以上固溶处理晶粒度低于6级;随固溶温度升高,硬度逐渐下降,920 ℃以上固溶处理硬度下降趋势减弱。综上所述,3J53合金试样在920～1010 ℃进行固溶处理可获得均匀细小的显微组织和较低的硬度,因此后续研究将在此温度区间开展。

图1 3J53合金经800～1070 ℃固溶处理后的显微组织

2.2 固溶时间对3J53合金组织性能的影响

980 ℃不同保温时间固溶处理后的显微组织如图2 所示,晶粒度和硬度的测试结果如表3所示。可以看出,3J53合金试样均为奥氏体组织,晶粒尺寸均匀细小。随着固溶保温时间的增加,晶粒度逐渐减小,硬度逐渐降低,但变化不明显[8]。所以,在条件允许的情况下,固溶时间选择3～20 min均可。

表3 980 ℃固溶不同时间后3J53合金的硬度和晶粒度

图2 980 ℃固溶处理不同时间后3J53合金的显微组织

2.3 固溶温度对时效后3J53合金组织性能的影响

为提高合金的力学性能,需对试样进行时效处理,通过析出弥散强化相γ′相提高强度和硬度。根据以往的研究报道,3J53带材在650～700 ℃温度区间进行时效处理后具有良好的硬度以及恒弹性[9]。在此,为控制变量,本文选择时效温度为670 ℃,保温时间为5 h,结合之前的最佳固溶处理温度区间,对合金进行920～1010 ℃固溶+670 ℃×5 h时效处理,其显微组织如图3所示,硬度如表4所示。由图4可见,3J53合金样品固溶+时效处理后的显微组织为奥氏体+细小析出相,析出相特征无法再分辨,结合文献[10]可知,析出相为γ′相。由表4可知,时效后,3J53合金试样硬度明显提高,为302～346 HV0.2;随着固溶温度的升高,3J53合金试样固溶+时效处理后的硬度逐渐下降,可能是因为温度升高晶粒长大导致细晶强化效果减弱。但是,固溶+时效后样品硬度均未达到核级压力变送器膜片材料的要求(≥420 HV0.2)。

图3 不同温度固溶处理10 min和670 ℃时效5 h后3J53合金的显微组织

2.4 冷加工与时效工艺对3J53合金组织性能的影响

固溶+时效后,试样的硬度并没有满足性能要求。众所周知,时效前进行冷变形,将使得γ′相弥散程度增加,从而提升强化效果[11]。由图1和表4可知,920 ℃固溶后,样品晶粒均匀细小且时效后的硬度最高。因此,选择920 ℃固溶后对试样进行冷轧+650～700 ℃×5 h时效处理,其硬度如表5所示。所有样品的硬度均大于420 HV0.2,且随着时效温度的升高,硬度先升高后降低,并在670 ℃达到峰值483 HV0.2,与武希哲[9]、郭卫民等[12]的研究结果一致。观察920 ℃固溶+冷轧+670 ℃×5 h时效处理后的显微组织发现(如图4所示),基体仍然为保持加工流线的变形奥氏体,但其硬度发生了显著的变化。究其原因,主要是因为冷加工后基体中产生大量的位错、层错和亚晶界等,促进第二相析出形核[13]。可推测,3J53合金试样冷轧后,γ′相形核率增大、弥散程度增加,显著增强时效强化效果。因此,为了获得较高硬度,可采用固溶+冷轧+时效处理的方法。

表4 不同温度固溶和时效处理后3J53合金的硬度

表5 3J53合金在650～700 ℃时效处理后的硬度

图4 920 ℃固溶+冷轧+670 ℃时效处理后3J53合金的显微组织

3 应用试验验证结果

通过对测量膜片材料组织性能调控技术研究,经多批次样品制备,材料工艺逐步摸索成熟,形成了高性能、多品种、小批量核级压力变送器传感器测量膜片材料制备的关键技术。制备的膜片材料试样(厚度范围δ=0.025～0.10 mm)交付应用单位进行验证,验证流程见图5。针对膜片试样规格,制作相应规格的传感器,以分析样品传感器的工艺过程参数及性能参数的工艺符合性,其中包括回差性能和原始量程温度影响性能(70 ℃温区)等,并与应用原渠道膜片(常规产品)的产品进行对比。回差性能和原始量程温度影响性能的对比结果见表6和表7。

图5 测量膜片的加工工艺

表6 测量膜片的回差性能及比对结果

由表6和表7可知,采用研制的3J53合金膜片材料制备了7.5、40、100和150 kPa等量程的核级压力变送器,其回差性能均符合工艺指标要求,并远低于指标极限值,并且原始量程温度影响性能与常规产品无显著差异。因此,经性能验证试验,3J53膜片性能满足第三代核电工程用核级压力变送器的技术指标要求,与进口材料的性能和使用效果相当。

表7 测量膜片的原始量程温度影响性能及比对结果

4 结论

采用热处理工艺对核级压力变送器3J53合金测量膜片材料进行了性能调控,并对其国产化应用进行了分析,得到如下结论:

1) 对3J53合金800～1070 ℃固溶10 min的研究发现,材料在920～1010 ℃温度区间可获得均匀细小的显微组织和较低的硬度。与此同时,在980 ℃温度下,材料晶粒尺寸的大小随固溶时间的增长变化不明显。

2) 经920～1010 ℃×10 min固溶+670 ℃×5 h 时效后,3J53合金的硬度在920 ℃时最高,为346 HV0.2,但无法满足测量膜片硬度性能要求。

3) 3J53合金经920 ℃固溶+冷轧+650～700 ℃时效处理后,第二强化相形核率增加,时效强化效果显著增强,硬度明显提高,达到核级压力变送器测量膜片硬度性能要求,其中时效温度为670 ℃时,硬度达到峰值483 HV0.2。

4) 研制的测量膜片材料3J53合金经应用验证,满足核级压力变送器设计要求,可国产化应用。