阅读说明：本技术 一种强化锆合金带材加工方法及锆合金带材 (Processing method of strengthened zirconium alloy strip and zirconium alloy strip ) 是由 徐滨 胡旭坤 岳强 高博 李小影 赵林科 孙美娜 于 2019-04-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种锆合金带材加工方法,包括：将经过预处理的锆合金铸锭在β相区进行第一锻造处理,得到第一厚度锆合金锻造坯；将所述锆合金锻造坯调节至与液面成预定角度,并在第一温度下进行淬火处理,得到锆合金板坯；对所述锆合金板坯进行表面机加处理,得到呈金属色锆合金板坯；对所述呈金属色锆合金板坯依次进行轧制和退火处理,并依次进行至少两次热轧及至少两次冷轧,最终热轧及每个所述冷轧轧程完成后均应进行退火处理,得到锆合金带材成品。该方法在合金成分不变的情况下明显提高锆合金带材强度,具有优异的抗腐蚀性能和塑性等。(The invention discloses a zirconium alloy strip processing method which comprises the steps of carrying out first forging treatment on a pretreated zirconium alloy cast ingot in a β phase region to obtain a zirconium alloy forging blank with a first thickness, adjusting the zirconium alloy forging blank to form a preset angle with a liquid level, carrying out quenching treatment at a first temperature to obtain a zirconium alloy plate blank, carrying out surface machining treatment on the zirconium alloy plate blank to obtain a zirconium alloy plate blank with metallic color, carrying out rolling and annealing treatment on the zirconium alloy plate blank with the metallic color in sequence, carrying out hot rolling and cold rolling for at least two times in sequence, and finally carrying out annealing treatment after the hot rolling and each cold rolling process are finished to obtain a zirconium alloy strip finished product.)

一种强化锆合金带材加工方法及锆合金带材

技术领域

本发明属于锆合金材料制备技术领域，具体涉及一种锆合金带材加工方法。

背景技术

锆合金具有热中子吸收截面低、热导率高、抗腐蚀性能好等优点，因此是核工业中广泛应用的结构材料，其中锆合金带材主要用于定位格架的制造，而定位格架在中子辐照的条件下的应力松弛会造成格架对燃料棒夹持力的降低，造成格架与燃料棒摩擦，对反应堆造成危害，通常锆合金带材需要有较高力学性能，用以维持其冲压后条带的刚度。然而目前在完全再结晶状态下想增强锆合金力学性能除了提高其合金成分含量外，还未有其它技术方法在合金成分不变的情况下明显提高其强度。

发明内容

本发明的目的是提供一种锆合金带材加工方法，解决了锆合金带材力学性能差的问题。

为解决上述问题，本发明的第一方面提供了一种锆合金带材加工方法，包括：将经过预处理的锆合金铸锭在β相区进行第一锻造处理，得到第一厚度锆合金锻造坯；将所述锆合金锻造坯调节至与液面成预定角度，并在第一温度下进行淬火处理，得到锆合金板坯；对所述锆合金板坯进行表面机加处理，得到呈金属色锆合金板坯；对所述呈金属色锆合金板坯依次进行轧制和退火处理，并依次进行至少两次热轧及至少两次冷轧，最终热轧及每个所述冷轧轧程完成后均应进行退火处理，得到锆合金带材成品。

进一步地，其中所述将经过预处理的锆合金铸锭在β相区进行第一锻造处理，得到第一厚度锆合金锻造坯步骤之后还有：

将所述第一厚度锆合金锻造坯在β相区进行第二锻造处理得到第二厚度锆合金锻造坯。

进一步地，其中所述第一锻造处理，具体为：将经过预处理的锆合金铸锭在第二温度条件下保温第一时长后，开坯锻造得到第一厚度锆合金锻造坯；所述第二锻造处理，具体为：将第一厚度锆合金板粗坯在第三温度条件下保温第二时长后，开坯锻造得到第二厚度锆合金锻造坯。

进一步地，其中所述第一厚度100～150毫米；所述第二厚度为30～50毫米；所述第二温度为950～1150摄氏度；所述第三温度为800～1000摄氏度；所述第一时长为大于3.5小时；所述第二时长(T＝1.2×h+30)分～10小时；T：保温时间，h:板坯厚度。

进一步地，其中所述预定角度为30～90度；所述第一温度为950～1150摄氏度。

进一步地，其中所述表面机加处理单边去除量大于4毫米。

进一步地，其中对所述呈金属色锆合金板坯依次进行轧制和退火处理，并依次进行至少两次热轧及至少两次冷轧，最终热轧及每个所述冷轧完成后均应进行退火处理，得到锆合金带材成品具体包括：对呈金属色锆合金板坯进行热轧处理，热轧总加工率在80％～97％，得到热轧处理锆合金板坯；对所述热轧处理锆合金板坯进行大气退火，得到锆合金板材；对所述锆合金板材进行第一冷轧或多次重复冷轧处理，得到冷轧处理锆合金板材；对所述冷轧处理锆合金板材进行焊接成卷、真空退火，得到锆合金卷材；对所述锆合金卷材进行最终冷轧处理，所有冷轧后总加工量在45％～70％，得到半成品带材；对所述半成品带材进行连续除油退火处理，得到锆合金带材成品。

进一步地，其中所述热轧处理具体为：将呈金属色锆合金板坯在温度550～750摄氏度的条件下保温T＝1.2×h+30分～1.2×h+90分；T：保温时间，h:板坯厚度，后进行热轧，得到热轧处理锆合金板坯。

进一步地，其中所述大气退火具体为：将所述热轧处理锆合金板坯在温度为600～750摄氏度条件下保温T＝1.2×h+30分～1.2×h+90分，h:板材堆垛厚度，进行大气退火。

进一步地，其中所述真空退火具体为：将所述冷轧处理锆合金板材在温度为600摄氏度，保温时间为T＝1.2×h+30分～1.2×h+90分，h:板材堆垛厚度，在真空度应大于0.9×10^-2帕下进行真空退火。

进一步地，其中所述连续退火具体为：在625～675摄氏度条件下进行连续退火，连续退火的速度为0.3～1.5米/分钟。

进一步地，其中所述第一冷轧处理具体包括：对所述锆合金板材进行表面处理，表面处理采用喷砂、酸洗，喷砂所用砂砾为碳化硅颗粒，酸洗为氢氟酸、硝酸、水的混合液，配比，35％～45％HNO₃+3％～8％HF+H₂O，得到表面洁净锆合金板材；对所述表面洁净锆合金板材进行板式冷轧，焊接成卷，真空退火、带卷冷轧得到冷轧处理锆合金带材。

本发明另一方面提供一种锆合金带材，其特征在于，采用上述方法加工而成。

本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

(1)工艺流程简单、工艺参数可控性强，易运用到工业生产；

(2)在合金成分不变的情况下明显提高锆合金带材强度；

(3)具有优异的抗腐蚀性能和塑性等。

附图说明

图1是根据本发明第一实施方式的锆合金带材加工方法流程图；

图2是根据本发明另一实施方式的锆合金带材加工方法流程图；

图3是根据本发明又一实施方式的轧制和退火处理流程图；

图4是根据本发明又一实施方式的第一冷轧处理流程图；

图5是根据本发明实施例制得锆合金带材电镜下组织图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

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。

图1是根据本发明第一实施方式的锆合金带材加工方法流程图。

根据本申请实施例提供的一种锆合金带材加工方法，如图1所示，具体包括：

S1：将经过预处理的锆合金铸锭在β相区进行锻造处理，得到第一厚度锆合金锻造坯；

S2：将锆合金锻造坯调节至与液面成预定角度，并在第一温度下进行淬火处理，得到锆合金板坯；

S3：对锆合金板坯进行表面机加处理，得到呈金属色锆合金板坯；

S4：对呈金属色锆合金板坯依次进行轧制和退火处理，并依次进行至少两次热轧及至少两次冷轧，每次轧制完成后均应进行退火处理，得到锆合金带材成品。

S1步骤的预处理的锆合金铸锭是将锆合金铸锭表面灰尘杂质处理干净。较难去除的杂质可以用机械加工洗去除。β相区为高温稳定相。

S3步骤的表面机加处理包括上下表面及侧面，具体为采用铣床对上下表面铣削去除表面氧化皮及淬火板条组织层，处理后保证板坯表面光洁，呈金属色。

通过该方法工艺制作锆合金带材，流程简单、工艺参数可控性强，易运用到工业生产，在合金成分不变的情况下明显提高锆合金带材强度，具有优异的抗腐蚀性能和塑性等。

可选的，其中将经过预处理的锆合金铸锭在β相区进行第一锻造处理，得到第一厚度锆合金锻造坯步骤之后还有：

将第一厚度锆合金锻造坯在β相区进行第二锻造处理得到第二厚度锆合金锻造坯。

图2是根据本发明另一实施方式的锆合金带材加工方法流程图。

在一可选实施例中，其中将经过预处理的锆合金铸锭在β相区进行第一锻造处理，得到第一厚度锆合金锻造坯步骤之后还有：将第一厚度锆合金锻造坯在β相区进行第二锻造处理得到第二厚度锆合金锻造坯，如图2所示，具体包括：

S1：将经过预处理的锆合金铸锭在β相区进行锻造处理，得到第一厚度锆合金锻造坯；

S2：将第一厚度锆合金锻造坯在β相区进行二次锻造处理，得到第二厚度锆合金锻造坯；

S3：将第二厚度锆合金锻造坯调节至与液面成预定角度，并在第一温度下进行淬火处理，得到锆合金板坯；

S4：对锆合金板坯进行表面机加处理，得到呈金属色锆合金板坯；

S5：对呈金属色锆合金板坯依次进行轧制和退火处理，并依次进行至少两次热轧及至少两次冷轧，每次轧制完成后均应进行退火处理，得到锆合金带材成品。

可选的，第一锻造处理，具体为：将经过预处理的锆合金铸锭在第二温度条件下保温第一时长后，开坯锻造得到第一厚度锆合金锻造坯；第二锻造处理，具体为：将第一厚度锆合金板粗坯在第三温度条件下保温第二时长后，开坯锻造得到第二厚度锆合金锻造坯。

可选的，第一厚度为100～150毫米，优选为110～120毫米；第二厚度为30～50毫米，优选为40毫米；第二温度为950～1150摄氏度；第三温度为800～1000摄氏度；第一时长大于3.5小时；第二时长(T＝1.2×h+30)分～10小时；T：保温时间，h:板材堆垛厚度。在此条件下锻造可以改善锆合金组织结构和力学性能。锆合金铸锭经过锻造加工变形后由于金属的变形和再结晶，使原来的粗大枝晶和柱状晶粒变为晶粒较细、大小均匀的等轴再结晶组织，使锆合金铸锭内原有的偏析、疏松、气孔、夹渣等压实和焊合，其组织变得更加紧密，提高了锆合金的塑性和力学性能。

可选的，预定角度为30～90度夹角；第一温度为950～1150摄氏度。将锆合金板粗在温度为950～1150摄氏度的条件下进行水淬，板坯入水时与水面应呈30～90摄氏度，淬火的转移时间应小于60秒，入水前水温应不高于36摄氏度。

可选的，表面机加处理单边去除量大于4毫米。处理后保证锆合金板坯表面光洁，呈金属色。

通过该方法制作的的锆合金带材在合金成分不变的情况下明显提高锆合金带材强度，具有优异的抗腐蚀性能和塑性等。

图3是根据本发明又一实施方式的轧制和退火处理流程图。

如图3所示，在一可选实施例中，对呈金属色锆合金板坯依次进行轧制和退火处理，并依次进行至少两次热轧及至少两次冷轧，最终热轧及每个冷轧完成后均应进行退火处理，得到锆合金带材成品，具体包括：S41，对呈金属色锆合金板坯进行热轧处理，热轧总加工率在80％～97％，得到热轧处理锆合金板坯；S42，对热轧处理锆合金板坯进行大气退火，得到锆合金板材；S43，对锆合金板材进行第一冷轧或多次重复冷轧处理，得到冷轧处理锆合金板材；S44，对冷轧处理锆合金板材进行焊接成卷、真空退火，得到锆合金卷材；S45，对锆合金卷材进行最终冷轧处理，所有冷轧后总加工量在45％～70％，得到半成品带材；S46，对半成品带材进行连续除油退火处理，得到锆合金带材成品。其中最终热轧为第二次热轧。

通过该方法制作的锆合金带材在合金成分不变的情况下明显提高锆合金带材强度，具有优异的抗腐蚀性能和塑性等。

可选的，热轧处理具体为：将呈金属色锆合金板坯在温度550～750摄氏度的条件下保温T＝1.2×h+30分～1.2×h+90分；T：保温时间，h:板坯厚度，后进行热轧，得到热轧处理锆合金板坯。

可选的，大气退火具体为：将热轧处理锆合金板坯在温度为600～750摄氏度条件下保温T＝1.2×h+30分～1.2×h+90分，h:板材堆垛厚度，进行大气退火。

可选的，真空退火具体为：将冷轧处理锆合金板材在温度为600摄氏度，保温时间为T＝1.2×h+30分～1.2×h+90分，h:板材堆垛厚度，在真空度应大于0.9×10^-2帕下进行真空退火。

可选的，连续退火具体为：在625～675摄氏度条件下进行连续退火，连续退火的速度为0.3～1.5米/分钟。

图4是根据本发明又一实施方式的第一冷轧处理流程图。

如图4所示，在一可选实施例中，第一冷轧处理，具体包括：431，对锆合金板材进行表面处理，表面处理采用喷砂、酸洗，喷砂所用砂砾为碳化硅颗粒，酸洗为氢氟酸、硝酸、水的混合液，配比，35％～45％HNO₃+3％～8％HF+H₂O，得到表面洁净锆合金板材；S432，对表面洁净锆合金板材进行板式冷轧，焊接成卷，真空退火、带卷冷轧得到冷轧处理锆合金带材。具体的，将锆合金板材进行喷砂、酸洗处理去除表面氧化皮、金属及非金属压入等缺陷，去除量大于0.3毫米。然后，将锆合金板材在冷轧机上进行冷轧，由3～4毫米冷轧至1.2～1.5毫米，道次变形量在3％～8％之间，总变形量在45％～70％,对冷轧后板材进行除油，彻底去除板材表面油污。

通过该方法制作的的锆合金带材在合金成分不变的情况下明显提高锆合金带材强度，具有优异的抗腐蚀性能和塑性等。

可选的，将表面涂油板材在温度为600～650摄氏度条件下保温2.5小时进行真空退火，真空退火炉真空度不大于1.0×10^-2帕。

可选的，将经过真空退火的锆合金板材在冷轧机上进行带材冷轧，由1.2～1.5毫米冷轧至0.4～0.6毫米，道次变形量在1％～5％之间，总变形量在50％-66％。

可选的，将经过第二次冷轧的锆合金带卷在连续除油退火设备上进行连续除油退火，退火温度在625～750摄氏度之间，保温3～10分钟后可制得组织均匀的锆合金带材。

在一可选实施例中，一种提高锆合金带材力学性能的加工工艺，具体方法包括以下步骤：

将锆合金铸锭在β相区进行开坯锻造得到厚度100～150毫米锻造板坯；将上述100～150毫米厚度的锆合金板坯在温度为800～900摄氏度之间进行二次锻造，板坯由大于100毫米厚锻造至30～50毫米厚；然后将锻造板坯在温度1000～1100摄氏度的条件下水淬，板坯入水时应与水面呈30～90度夹角；再将上述板坯进行表面处理，彻底去除表面氧化层(表面处理去除量大于8毫米)，使板坯表面呈光亮的金属色；将表面处理后的锆合金板坯在温度为550～750摄氏度条件下进行热轧，得到厚度3-4毫米的热轧板材，其中热轧道次变形量为10％～30％；将热轧后板材采用大气退火或真空退火工艺进行热处理，退火温度不低于600摄氏度，保温时间为T＝1.2×h+30分～1.2×h+90分，h:板材堆垛厚度；将退火后板材进行冷轧轧制到1.2～1.5毫米厚,再在600～650摄氏度条件下进行真空退火；将退火后板材进行带式冷轧轧制到0.4～0.6毫米厚,再在625～675摄氏度条件下进行连续退火；退火可得到力学性能明显提高的锆合金带材。

本发明另一方面是提供一种锆合金带材，采用上述实施例的方法加工而成。本发明所需要解决的技术问题在于使用同一种合金牌号的锆合金即合金含量不变的情况下，通过采用一种降低板坯淬火厚度及入水角度再配合过程热轧机退火工艺来提高其完全再结晶状态下的力学性能。

实施例

实施例1

将锆合金铸锭表面清理干净，然后在锻造温度为1000摄氏度条件下保温3.5小时后开坯锻造，锻造得到厚度为110毫米锆合金板坯；将110毫米厚度的锆合金板坯在锻造温度为800摄氏度条件下保温2小时后开坯锻造，锻造得到厚度为30毫米锆合金板坯；将锻造所得锆合金板坯在温度为1000摄氏度的条件下进行水淬，锆合金板坯入水时与水面应呈30度夹角，淬火的转移时间应45秒，入水前水温为30摄氏度；将经过水淬锆合金板坯进行表面机加处理，单边去除量为5毫米，处理后保证板坯表面光洁，呈金属色；将呈金属色锆合金板坯在温度600摄氏度的条件下保温1小时后进行热轧，得到厚度为3毫米板材，热轧各道次的加工率在10％～30％之间，热轧总加工率在84％，轧制过程中坯料的延长方向为板坯的长度方向，轧制过程中板坯温度为590摄氏度；将热轧后的锆合金板坯在温度为600摄氏度条件下保温2.5小时，进行大气退火；将退火后的锆合金板材进行喷砂、酸洗处理去除表面氧化皮、金属及非金属压入等缺陷，去除量0.35毫米；将经过表面处理的锆合金板材在冷轧机上进行冷轧，由3毫米冷轧至1.2毫米，道次变形量在3％～8％之间，总变形量在57％,对冷轧后板材进行除油，彻底去除板材表面油污在温度为600摄氏度条件下保温2.5小时进行真空退火，真空退火炉真空度不大于0.7×10-2Pa；将经过真空退火的锆合金板材在冷轧机上进行带材冷轧，由1.2毫米冷轧至0.4毫米，道次变形量在1％～5％之间，总变形量在59％；将经过冷轧的带材在连续除油退火设备上进行连续除油退火，退火温度为625摄氏度，保温3分钟后制得组织均匀的锆合金带材。

实施例2

将锆合金铸锭表面清理干净，然后在锻造温度为1050摄氏度条件下保温4小时后开坯锻造，锻造得到厚度为120毫米锆合金板坯；将120毫米厚度的锆合金板坯在锻造温度为900摄氏度条件下保温2小时后开坯锻造，锻造得到厚度为40毫米锆合金板坯；将锻造所得锆合金板坯在温度为1050摄氏度的条件下进行水淬，锆合金板坯入水时与水面应呈60度夹角，淬火的转移时间应41秒，入水前水温20摄氏度；将经过水淬的锆合金板坯进行表面机加处理，单边去除量为5.5毫米，处理后保证锆合金板坯表面光洁，呈金属色；将呈金属色锆合金板坯在温度625摄氏度的条件下保温1h后进行热轧，得到厚度为3.5毫米板材，热轧各道次的加工率在10％～30％之间，热轧总加工率在83％，轧制过程中坯料的延长方向为锆合金板坯的长度方向，轧制过程中锆合金板坯温度为600摄氏度，进行回火，回火保温时间为15分钟；将热轧后的板坯在温度为625摄氏度条件下保温4小时，进行大气退火；将退火后的锆合金板材进行喷砂、酸洗处理去除表面氧化皮、金属及非金属压入等缺陷，去除量为0.4毫米；将经过表面处理的锆合金板材在冷轧机上进行冷轧，由3.5毫米冷轧至1.4毫米，道次变形量在3％～8％之间，总变形量为60％,对冷轧后的锆合金板材进行除油，彻底去除板材表面油污在温度为625摄氏度的条件下保温2.5小时，进行真空退火，真空退火炉真空度不大于0.8×10-2Pa；将经过真空退火的锆合金板材在冷轧机上进行带材冷轧，由1.4毫米冷轧至0.5毫米，道次变形量在1％～5％之间，总变形量在60％；将经过冷轧的锆合金带材在连续除油退火设备上进行连续除油退火，退火温度为700摄氏度，保温7分钟后，制得组织均匀的锆合金带材。

实施例3

将锆合金铸锭表面清理干净，然后在锻造温度为1100摄氏度的条件下保温4.5小时后开坯锻造，锻造得到厚度为130毫米锆合金板坯；将锆合金板坯在温度为1100摄氏度的条件下进行水淬，锆合金板坯入水时与水面应呈90度夹角，淬火的转移时间为55秒，入水前水温为35摄氏度；将经过水淬的锆合金板坯进行表面机加处理，单边去除量为6毫米，处理后保证板坯表面光洁，呈金属色；将呈金属色锆合金板坯在温度650摄氏度的条件下保温1小时后进行热轧，得到厚度为4毫米的锆合金板材，热轧各道次的加工率在10％～30％之间，热轧总加工率在89％，轧制过程中坯料的延长方向为锆合金板坯的长度方向，轧制过程中锆合金板坯温度为615摄氏度，进行回火，回火保温时间为10分钟；将热轧后的锆合金板坯在温度为650摄氏度的条件下保温5小时，进行大气退火；将退火后的锆合金板材进行喷砂、酸洗处理去除表面氧化皮、金属及非金属压入等缺陷，去除量为0.5毫米；将经过表面处理的锆合金板材在冷轧机上进行冷轧，由4毫米冷轧至1.5毫米，道次变形量在3％～8％之间，总变形量在64％,对冷轧后板材进行除油，彻底去除板材表面油污在温度为650摄氏度的条件下保温2.5小时，进行真空退火，真空退火炉真空度为0.9×10-2Pa；将经过真空退火的锆合金板材在冷轧机上进行带材冷轧，由1.5毫米冷轧至0.6毫米，道次变形量在1％～5％之间，总变形量在65％；将经过冷轧的锆合金带材在连续除油退火设备上进行连续除油退火，退火温度为740摄氏度，保温10分钟后，制得组织均匀的锆合金带材。

对本方法制得的锆合金带材进行组织、力学性能、腐蚀性能检测，力学性能见表1明显高于一般工艺生产带材力学性能约30兆帕,一般加工工艺生产带材力学性能见表3，提高了其抵抗变形及开裂的能力，组织见图5所示，按照ASTME112标准评级得11级，腐蚀性能检测结果见表2。

表1使用本方法制备的锆合金带材表理化性能检测结果

以上实施例提供了一种提高锆合金带材力学性能的工工艺，解决了目前锆合金带材力学性能较低的问题，同时有效的保证了带材晶粒度等级、腐蚀性能。

本发明旨在保护一种锆合金带材加工方法，包括：将经过预处理的锆合金铸锭在β相区进行第一锻造处理，得到第一厚度锆合金锻造坯；将锆合金锻造坯调节至与液面成预定角度，并在第一温度下进行淬火处理，得到锆合金板坯；对锆合金板坯进行表面机加处理，得到呈金属色锆合金板坯；对呈金属色锆合金板坯依次进行轧制和退火处理，并依次进行至少两次热轧及至少两次冷轧，最终热轧及每个冷轧轧程完成后均应进行退火处理，得到锆合金带材成品。该方法工艺流程简单、工艺参数可控性强，易运用到工业生产；在合金成分不变的情况下明显提高锆合金带材强度；具有优异的抗腐蚀性能和塑性等。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

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。