在鋯合金加工過程中，鍛造棒坯通常要通過β淬火使組織中的第二相重新溶入β相，使β穩定元素充分、均勻同溶于鋯合金基體中，以提高成品的耐腐蝕性能。鋯合金在進行β相冷卻的過程中，bcc結構的β相會轉變為hcp結構的α相，且隨著合金成分和冷卻速率的變化，會得到不同的微觀組織。一般認為[1]鋯合金生產中，淬火組織為Basketweave魏氏組織和Parallel—plate魏氏組織時，由于α板條內有位錯存在，有利于后續加工。

在鋯合金管棒坯生產過程中發現，對應同一鑄錠不同位置的鍛造棒坯淬火組織雖然均為魏氏組織，但對應鑄錠頭部的鍛造棒坯淬火組織在晶界處有較多垂直／平行于品界的平行板條組織，對應鑄錠中部和尾部的鍛造棒坯淬火組織中網籃組織更為明顯。淬 火組織巾平行板條組織大量出現可能會影響材料的強一塑性，將導致加工過程中材料開裂[3] 。鋯合金淬火組織的這種差異可能會影響后續半成品及成品的產品質量，因此本文從鍛造淬火工藝、合金元素、鑄錠組織結構等方面對鋯合金鍛造棒坯淬火組織的差異進行了分析。

1、試驗過程

本文選用相同規格的Zr-1Sn-1Nb合金鑄錠和Zr-4合金鑄錠，根據其不同位置淬火組織的不同從鍛造淬火工藝、鑄錠合金元素及鑄錠組織進行分析。其中1#鑄錠為Zr-1Sn-1Nb合金，2#鑄錠為Zr-4鑄錠，選擇試樣為對應鑄錠頭部、中部和尾部的錠坯，錠坯均經過淬火。鑄錠及錠坯情況見表1。

2、試驗結果與討論

2.1 β淬火組織

鑄錠經過鍛造、淬火處理后，在表1中所選取錠坯的端部取片狀試樣進行金相檢測。每個片狀試樣的中心(I)、R／2(M)和邊部(0)分別取樣進行觀察，樣片上取樣位置見圖1。

圖2、圖3分別為l#鑄錠、2#鑄錠不同位置(T一對應鑄錠頭部、z一對應鑄錠中部、w一對應鑄錠底部)錠坯淬火后芯部、R／2和邊部的淬火組織。從圖中可以看出，同一棒坯其芯部、R／2和邊部的淬火組織基本相同，而對應鑄錠不同位置的棒坯淬火組織存在差異。1一T和2一T芯部、R／2和邊部的組織在晶界處有較多垂直／平行于晶界的平行板條組織，而對應鑄錠中部和尾部的其它棒坯的芯部、R／2和邊部淬火組織為明顯的網籃組織；且該趨勢在2#(zr一4合金)鑄錠中表現更加明顯。

2.2加工工藝的影響

在鋯合金加工過程中，初始鍛造和β淬火會對材料組織造成影響[4]，其中鍛造工序破碎鑄錠的柱狀晶，改善宏觀偏析，把鑄態組織變為鍛態組織，并存合適的溫度和應力條件下，焊合內部孔隙，提高材料的 致密度．控制材料晶粒的大小和均勻度，并改善第二相的分布。β淬火使其熔煉和鍛造錠坯組織中的第二相重新溶入β相．使Nb、Fe、cr這些β穩定元素在β相中過飽和，快速冷卻后合金元素過飽和固溶在α相中，合金元素充分和均勻固溶于鋯合金基體中。這樣一方面可以使合金元素分布更均勻化，另一方面又可以使成品管材 抗腐蝕性能提高。

本文選用的兩個鑄錠在加T過程中，經兩火次鍛造后進行B淬火。鑄錠鍛造工藝見表2，所選取錠坯淬火工藝見表3。從表2可以看出，兩個鑄錠均采用相同工藝進行拔長鍛造，保證了鍛造過程中變形量的一致性。表3中，所取錠坯的淬火工藝也均在工藝要求范同內，錠坯轉移時間和淬火水溫均控制在較小的 范圍內，保證了錠坯淬火冷卻速率的一致性。通過鍛造工藝和淬火工藝的對比．兩個鑄錠不同位置錠坯的 鍛造和淬火工藝均按照要求嚴格控制，基本一致，均形成了圖2和圖3所示的魏氏組織，但仍然存在不同位置淬火組織的不同，可以判斷，兩個鑄錠不同位置錠坯淬火組織差異不是由于鍛造、淬火工藝造成的。

2.3鑄錠化學成分的影響

D．Charquet等人研究表明[5]網籃組織的形成與淬火冷卻過程相變的形核有關。Si、C等固溶度較低的元素，易形成網籃組織；而Ca、Mg、Na等元素只有以氯化物的形式添加時才易形成網籃組織．添加極少含量的Ca、Mg、Na等雜質元素不足以使不含cl的平行板條組織原材料形成網籃組織。

表4為1#鑄錠、2#鑄錠所選取錠坯對應鑄錠不同位置的化學成分。其中每個鑄錠不同位置的C、Ca、Mg、Na含量基本一致；每個鑄錠不同位置Si元素含量也沒有相同的增長趨勢，1#鑄錠尾部含量較頭部和中部高出10ppm．2#鑄錠頭部含量較中部和尾部高m10ppm。同一鑄錠元素的變化趨勢與其不同位置的淬火組織(圖2、圖3)變化趨勢也不盡相同，而本文兩個 鑄錠在熔煉過程中，添加Ca、Mg、Na等元素的方式相同．因此可以判斷以上元素含量的差異不足以導致同一鑄錠不同位置錠坯淬火組織的差異。

對比1#鑄錠和2#鑄錠的C含量和Si含量，發現 1#鑄錠的C含量約為40ppm，Si含量約為40ppm；2#鑄錠的C含量約為120ppm，Si含量約為90ppm；2#鑄錠的C含量和Si含量均高于1#鑄錠。對比圖2和圖3，2#鑄錠的網籃組織比1#鑄錠的網籃組織更加明顯，這與D．Charquet等人提出的Si、C等元素的加入易形成網籃組織相吻合。

2.4鑄錠組織的影響

本文中鑄錠均采用三次真空自耗熔煉而成。自耗熔煉的特點是邊熔化邊結晶，在熔煉過程中一直存 在固態電極、液態熔池和已凝固的鑄錠三種狀態。而 且鑄錠的凝固過程是由上而下的順序。初期，凝固主要從底部開始，隨著鑄錠增長，底部冷卻逐漸減弱，當達到一定長度時則邊緣冷卻占主導地位，柱狀晶逐漸 改變方向．與徑向的夾角越來越小。鑄錠進一步增長 到一定值時，柱狀晶幾乎與徑向平行。在鑄錠長度方向上，結晶組織最終形成三個區，即鑄錠頭部的非平衡區、鑄錠中部的偽平衡區及尾部的非平衡區。根據結晶結構的差異又可分為：堆積錐體，柱狀晶區，頭部晶區，表面晶層和錠冠[4]。

鑄錠頭部、中部及尾部結晶組織的不同必然導致在鍛造同一變形量作用下，形成不同大小的晶粒，最終導致同一鑄錠不同位置淬火過程中的組織差異。

3、結論

(1)鋯合金管棒坯生產過程中，不同鑄錠采用相同的鍛造和淬火工藝不會導致鑄錠不同位置錠坯淬火組織差異;

(2)C元素和Si元素較高含量的加人使Zr一4合金鍛造淬火組織較Zr—1Sn一1Nb合金鍛造淬火組織中的網籃組織更為明顯;

(3)鋯合金真空熔煉過程中，鑄錠頭部組織與其中部和尾部組織存在不同導致鑄錠經鍛造、淬火后存在組織差異;

(4)不同牌號鋯合金鍛造淬火組織差異的存在對后續產品質量的影響需做進一步研究。

參考文獻

[1]欒佰峰，薛姣姣，柴林江，周軍．冷卻速率及雜質元素對鋯合金B—a轉變組織的影響[J]．稀有金屬材料與工程，2013，42(2)：2636-2640．

[2]黨薇，薛祥義，李金山，等．TC2l合金片層組織特征對其斷裂韌性的影響[J]．中國有色金屬學報，2010，20(1)：16-20．

[3]邵暉，趙永慶，葛鵬，等．小同組織類型對Tc2l合金強一塑性的影響[J]．稀有金屬材料與工程，2013，42(4)：845-848．

[4]劉建章．核結構材料[M]．北京：化學工業出版社，2007．

[5] D．charquet， E．Alheritiere．InⅡuen(，e()fImpuritiesan(1Temperatureon the Microstructure of Zircaloy-2 and ZiI℃aloy一4 after the Beta-Alpha Phase Transfornlation[c]//zirconiumin the Nuclear Industry：Seventh International Svmposium，ASTM STP939，1989：284-291．

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