CN108188196B - 一种FeCrAl/Zr双金属复合管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种核燃料FeCrAl/Zr双金属复合管的制备方法，属于双金属复合管材制备技术领域。先通过冶炼合金→锻造开坯→固溶处理→机加管坯→冷轧管材，得到需要复合的覆层管和基层管。然后对基层管和覆层管进行内、外表面处理，再将两管套在一起，将一端头封闭，采用冷精轧加工对双金属管进行轧制复合，最后经过内外表面清洗、采用线切割方法切头，得到复合管成品。本发明所述方法适用于采用FeCrAl系列合金和Zr及Zr系列合金分别作为覆层管和基层管的情况，也适用于难变形合金的复合管成形。本发明所述方法具有工艺简单，生产灵活性大，成本低的特点。
Description
技术领域
本发明涉及双金属复合管材制备技术领域，特别提供了一种FeCrAl/Zr双金属复合管及其制备方法。
背景技术
核安全是最大的环保。在核电设计中，核安全的首道防线就是核燃料的包覆材料→包壳管，它的作用是把燃料芯体包覆起来，从而防止裂变产物释放到冷却剂中，要求其在整个使用过程中不能发生破损而导致放射性外溢，目前采用锆合金精密冷轧管来制作。在核反应堆中，锆合金包壳管所处的工况条件非常恶劣，不仅需要承受高温、高压和强烈的中子辐照，还要求耐高硼水腐蚀、应力腐蚀等，随时间延长，力学性能发生变化，强度升高，延性降低、变脆，因此每隔12个月就要更换一次，属于高消耗品。而FeCrAl合金材料由于其在高温腐蚀环境中生成Al的氧化物和Al的硫化物，表现出较强的抗氧化、抗腐蚀性能而引人注目，具有抗腐蚀、抗渗碳、抗氧化、耐磨等功能，起到保护基体的作用，而且比重轻，表面负荷高、价格低等一系列优点。将两种材料复合在一起，组成双金属复合管材，发挥Zr合金的抗中子辐照性和FeCrAl合金抗腐蚀性，可以显著延长核电用包壳管的使用寿命，提高事故容错能力。对于每年需求超过160吨以上的包壳管，其经济价值非常可观。
双金属复合管的制备方法有热成型法和冷成型法。热成型法分为热挤压复合、热扩散焊接复合、离心铸造复合。冷成型法分为拉拔、液压胀型复合、滚压复合、旋压复合等。热加工复合法容易形成冶金结合，但工艺复杂、设备投资大，且高温下复合容易产生有害脆性相，管材的组织很难控制；冷加工复合通常由基层材料、覆层材料产生的塑性变形来获得过盈配合而实现紧密结合，配合后续的热处理，也可实现冶金结合，具有尺寸精度高、内外表面质量好，并且工艺简单、成本低的特点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种FeCrAl/Zr双金属复合管及其制备方法，采用冷精轧方法进行大变形量成形，在周期三向压应力作用下实现复合管的紧密结合，也可选配后续热处理工艺，实现冶金结合，通过设计合适的规格，可得到内外均匀变形的双金属复合管。该方法不仅工艺简单，设备容易实现，生产灵活性大，成本低，而且通过控制不同的厚比，实现抗腐蚀性和强度性能的组合。
本发明技术方案如下：
一种FeCrAl/Zr双金属复合管，其特征在于：所述复合管由覆层管和基层管组合而成，其中覆层管由以铁铬铝为基体的系列合金制成，基层管由锆或锆合金制成。
其中所述以铁铬铝为基体的系列合金的成分为质量百分比：Cr6％～16％；Al 3％～8％；Y 0.001％～1％；Mo0.1％-6％；Si 0.001％～0.5％；C0.001％～0.5％；N≤500ppm；O≤1000ppm；P≤500ppm；S≤500ppm；余量为Fe。
本发明还提供了所述FeCrAl/Zr双金属复合管的制备方法，其特征在于：采用冷精轧工艺加工复合管，工艺流程为：先通过冶炼合金→锻造开坯→固溶处理→机加管坯→冷轧制备覆层管→退火处理得到需要复合的覆层管和基层管，再通过覆层管、基层管表面处理→套管组合→冷精轧复合管→清洗、切割得到成品；其中：
冷轧制备覆层管为：经3-15个道次冷轧管材，前5～6个道次的冷加工变形量为10％～30％，后3～4个道次的冷加工变形量为30～40％，末道次变形量为30～40％；中间退火温度为700～1100℃，保温30min～60min。(优选的冷轧工艺为：进给量为0.5～2，轧制道次为5～12道次，转速为每分钟40～60转，控制覆层管变形量在10％～50％之间)
退火处理为将冷轧得到的覆层管材经700～1100℃真空退火，保温30min～60min。
套管组合是将基层管装入覆层管中，两管间隙在0.05～0.5mm之间，将芯棒涂上润滑剂后插入基层管中，芯棒与基层管的间隙在0.1mm～1mm之间。
冷精轧复合管为：冷轧进给量控制在0.5～2之间，轧制道次控制在1～3道次，转速控制在每分钟40～60转，控制覆层管和基层管变形量在10％～50％之间，复合管总变形量在20％～60％范围内。(优选的冷精轧工艺为：进给量为1～1.5，轧制道次为1～3道次，控制覆层管和基层管变形量在20％～30％之间，复合管总变形量在20％～40％)
本发明所述FeCrAl/Zr双金属复合管的制备方法，其特征在于，具体工艺步骤如下：
(1)冶炼合金：采用真空感应熔炼下述成分的覆层系FeCrAl合金，质量百分比：Cr6％～16％；Al 3％～8％；Y 0.001％～1％；Mo0.1％-6％；Si0.001％～0.5％；C 0.001％～0.5％；N≤500ppm；O≤1000ppm；P≤500ppm；S≤500ppm；余量为Fe；
(2)锻造开坯、固溶处理：熔炼之后，锻造加热处理后锻造成Φ28mm圆棒材，固溶处理温度700℃～1100℃，保温20～60分钟；
(3)机加管坯：采用机加钻孔的方法加工管坯，外径为Φ25mm±2mm，壁厚5mm±1mm；
(4)冷轧管材：经3-15个道次冷轧管材，前5～6个道次的冷加工变形量为10％～30％，后3～4个道次的冷加工变形量为30～40％，末道次变形量为30～40％；中间退火温度为700～1100℃，保温30min～60min；
(5)退火处理：将冷轧得到的FeCrAl管材经700～1100℃真空退火，以消除加工硬化，达到软化的目的；
(6)表面处理：将退火软化后的FeCrAl管材和基层管材用Zr管的内外表面进行除油，碱洗，用砂轮打磨内外表面，去除氧化膜，露出新鲜的金属，增加复合表面粗糙度；
(7)套管组合：将Zr管装入FeCrAl管中，两管间隙在0.05～0.5mm之间，在能装配的前提下尽量减少间隙；将芯棒涂上润滑剂后插入Zr管中，芯棒与锆管的间隙在0.1mm～1mm之间；覆层管和基层管的壁厚比可根据实际需要而定；将装配管一端头进行封闭处理，减少轧制油等外界污染；
(8)冷精轧复合管：在表面处理后，采用冷精轧成形的方法经过一道次或多道次加工复合管，冷轧进给量控制在0.5～2之间，轧制道次控制在1～3道次，转速控制在每分钟40～60转；控制覆层管和基层管变形量在10％～50％之间，复合管总变形量在20％～60％范围内，结合效果好。变形量过低，两管为贴合，结合强度不高。变形量过高，复合管因重复变形而脱开；
(9)清洗、切割，对复合管内外表面进行清洗，采用线切割方法切头，得到成品。
本发明具有如下优点：
1、本发明冷轧过程在三向压应力下成形，周向均匀变形，有利于实现大变形量成形，能加工难变形金属。
2、同拉拔和液压胀形相比，本发明采用冷轧进行复合对于内外管表面质量和变形量的控制更好。
3、本发明生产灵活、工艺简单，不需要胀管复合，直接对管材进行加工成形。
4、本发明所需变形力小、设备简单、模具寿命高，运行成本低。
5、本发明所述方法可对难成形合金进行复合。
附图说明
图1复合管成品图。
图2复合管截面图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例1
制备Φ9.5mm×0.6mm规格FeCrAl/Zr双金属复合管
(1)冶炼合金：冶炼合金主要成分为：Cr 11～13％；Al 4～5％；Y 0.05％；Mo0.5％-2％；Si 0.005％；C 0.05％；N≤500ppm；O≤1000ppm；P≤500ppm；S≤500ppm；余量为Fe。
(2)锻造开坯、固溶处理：锻造加热处理后锻造成Φ28mm圆棒材，固溶处理温度800℃～1000℃，保温20分钟。
(3)机加管坯：采用机加钻孔的方法加工管坯，外径为Φ25mm±2mm，壁厚5mm±1mm。
(4)冷轧管材：经10个道次冷轧管材至Φ10.1mm×0.2mm，每道次的冷加工变形量为10％～40％左右，末道次变形量为40％。中间退火温度为800～1000℃，保温30min。
(5)退火处理：将冷轧得到的FeCrAl管材经800～1000℃真空退火，消除加工硬化。
(6)表面处理：将退火软化后的FeCrAl管材和基层管材Zr管的内外表面进行除油，碱洗，用砂轮打磨内外表面，去除氧化膜，露出新鲜的金属，增加复合表面粗糙度。
(7)套管组合：将Zr管装入FeCrAl管中，两管间隙在0.1～0.3mm之间。将芯棒涂上润滑剂后插入Zr管中，芯棒与锆管的间隙在0.1mm～1mm之间。Zr管的长度可大于FeCrAl覆层管的长度100mm，将装配好的管一端头进行封闭处理。
(8)冷精轧复合：在表面处理后，采用冷精轧成形的方法制备复合管。冷轧进给量控制在0.5～2之间，轧制道次1道次，转速控制在每分钟40～60转。控制覆层管和基层管变形量均在20％左右，复合管总变形量在30％范围内复合成形，成形后复合管尺寸为Φ9.5mm×0.6mm，覆层管厚度为0.145mm，基层管厚度为0.455mm。
(9)清洗、切割：对复合管内外表面进行清洗，采用线切割方法切头，得到成品。
实施例2
制备Φ8.3mm×0.3mm规格FeCrAl/Zr双金属复合管
(1)冶炼合金：冶炼合金主要成分为：Cr 8～10％；Al 6～7％；Y 0.05％；Mo3.5％-4.5％；Si 0.005％；C 0.05％；N≤500ppm；O≤1000ppm；P≤500ppm；S≤500ppm；余量为Fe。
(2)锻造开坯、固溶处理：锻造成Φ28mm圆棒材，固溶处理温度900℃～1100℃，保温30分钟。
(3)机加管坯：采用机加钻孔的方法加工管坯，外径为Φ25mm±2mm，壁厚5mm±1mm。
(4)冷轧管材：经10个道次冷轧管材至Φ10.1mm×0.2mm，每道次的冷加工变形量为10％～40％左右，末道次变形量为30％。中间退火温度为850～950℃，保温50min。
(5)退火处理：将冷轧得到的FeCrAl管材经850～950℃真空退火，消除加工硬化。
(6)表面处理：将退火软化后的FeCrAl管材和基层管材Zr管的内外表面进行除油，碱洗，用砂轮打磨内外表面，去除氧化膜，露出新鲜的金属，增加复合表面粗糙度。
(7)套管组合：将Zr管装入FeCrAl管中，两管间隙在0.1～0.3mm之间。将芯棒涂上润滑剂后插入Zr管中，芯棒与锆管的间隙在0.1mm～1mm之间。Zr管的长度可大于FeCrAl覆层管的长度100mm，将装配好的管一端头进行封闭处理。
(8)冷精轧复合：在表面处理后，采用冷精轧成形的方法制备复合管。冷轧进给量控制在0.5～2之间，轧制道次3道次，转速控制在每分钟40～60转。控制覆层管和基层管变形量均在10％～50％左右，复合管总变形量在60％范围内复合成形，成形后复合管尺寸为Φ8mm×0.3mm。覆层管厚度为0.1mm，基层管厚度为0.2mm。
(9)清洗、切割：对复合管内外表面进行清洗，采用线切割方法切头，得到成品。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种FeCrAl/Zr双金属复合管的制备方法，其特征在于：所述复合管由覆层管和基层管组合而成，其中覆层管由以铁铬铝为基体的系列合金制成，基层管由锆或锆合金制成；
所述以铁铬铝为基体的系列合金的成分为质量百分比：Cr 6％～16％；Al 3％～8％；Y0.001％～1％；Mo0.1％-6％；Si 0.001％～0.005％；C 0.001％～0.5％；N≤500ppm；O≤1000ppm；P≤500ppm；S≤500ppm；余量为Fe；
该制备方法采用冷精轧工艺加工复合管，工艺流程为：
先通过冶炼合金→锻造开坯→固溶处理→机加管坯→冷轧制备覆层管→退火处理得到需要复合的覆层管和基层管，再通过覆层管、基层管表面处理→套管组合→冷精轧复合管→清洗、切割得到成品；
其中冷轧制备覆层管的工艺参数为：经3-15个道次冷轧管材，前5～6个道次的冷加工变形量为10％～30％，后3～4个道次的冷加工变形量为30～40％，末道次变形量为30～40％；中间退火温度为700～1100℃，保温30min～60min。
2.按照权利要求1所述FeCrAl/Zr双金属复合管的制备方法，其特征在于：冷轧制备覆层管的工艺参数为：进给量为0.5～2mm/转，轧制道次为5～12道次，转速为每分钟40～60转，控制覆层管变形量在10％～50％之间。
3.按照权利要求1所述FeCrAl/Zr双金属复合管的制备方法，其特征在于：所述退火处理为将冷轧得到的覆层管材经700～1100℃真空退火，保温30min～60min。
4.按照权利要求1所述FeCrAl/Zr双金属复合管的制备方法，其特征在于：所述套管组合是将基层管装入覆层管中，两管间隙在0.05～0.5mm之间，将芯棒涂上润滑剂后插入基层管中，芯棒与基层管的间隙在0.1mm～1mm之间。
5.按照权利要求1所述FeCrAl/Zr双金属复合管的制备方法，其特征在于：所述冷精轧复合管的工艺参数为：冷轧进给量控制在0.5～2mm/转之间，轧制道次控制在1～3道次，转速控制在每分钟40～60转，控制覆层管和基层管变形量在10％～50％之间，复合管总变形量在20％～60％范围内。
6.按照权利要求5所述FeCrAl/Zr双金属复合管的制备方法，其特征在于：冷精轧复合管的工艺参数为：进给量为1～1.5mm/转，轧制道次为1～3道次，控制覆层管和基层管变形量在20％～30％之间，复合管总变形量在20％～40％。
7.按照权利要求1所述FeCrAl/Zr双金属复合管的制备方法，其特征在于，具体工艺步骤如下：
(1)冶炼合金：采用真空感应熔炼下述成分的覆层系FeCrAl合金，质量百分比：Cr 6％～16％；Al 3％～8％；Y 0.001％～1％；Mo0.1％-6％；Si 0.001％～0.005％；C 0.001％～0.5％；N≤500ppm；O≤1000ppm；P≤500ppm；S≤500ppm；余量为Fe；
(2)锻造开坯、固溶处理：熔炼之后，锻造加热处理后锻造成Φ28mm圆棒材，固溶处理温度700℃～1100℃，保温20～60分钟；
(3)机加管坯：采用机加钻孔的方法加工管坯，外径为Φ25mm±2mm，壁厚5mm±1mm；
(4)冷轧管材：经3-15个道次冷轧管材，前5～6个道次的冷加工变形量为10％～30％，后3～4个道次的冷加工变形量为30～40％，末道次变形量为30～40％；中间退火温度为700～1100℃，保温30min～60min；
(5)退火处理：将冷轧得到的FeCrAl管材经700～1100℃真空退火；
(6)表面处理：将退火软化后的FeCrAl管材和基层管材用Zr管的内外表面进行除油，碱洗，用砂轮打磨内外表面，去除氧化膜；
(7)套管组合：将Zr管装入FeCrAl管中，两管间隙在0.05～0.5mm之间，将芯棒涂上润滑剂后插入Zr管中，芯棒与锆管的间隙在0.1mm～1mm之间；将装配管一端头进行封闭处理；
(8)冷精轧复合管：在表面处理后，采用冷精轧成形的方法经过一道次或多道次加工复合管，冷轧进给量控制在0.5～2mm/转之间，轧制道次控制在1～3道次，转速控制在每分钟40～60转；控制覆层管和基层管变形量在10％～50％之间，复合管总变形量在20％～60％范围内；
(9)清洗、切割。
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