Способ термомеханической обработки трубного профиля из бинарных цирконий-ниобиевых сплавов
Изобретение относится к области металлургии, в частности к способу термомеханической обработки трубного профиля из бинарных цирконий-ниобиевых сплавов, предназначенному для последующей холодной прокатки изделий, используемых в качестве конструкционных элементов активных зон атомных реакторов. Предложен способ термомеханической обработки горячедеформированного трубного профиля из бинарных цирконий-ниобиевых сплавов, включающий горячее прессование горячедеформированной заготовки в +-области и термическую обработку в температурной области не ниже температуры нагрева заготовок под прессование, при этом термическую обработку проводят в вакууме в температурном диапазоне, не превышающем 770С, с выдержкой при заданной температуре в течение 1-3 часов и последующим охлаждением со скоростью не менее 1С/мин. Технический результат - повышение технологичности цирконий-ниобиевых сплавов при последующей холодной прокатке и улучшение эксплуатационных характеристик конструкционных элементов активных зон атомных реакторов. 1 ил.
Изобретение относится к области обработки металлов давлением и термической обработки, в частности к способу термомеханической обработки трубного профиля из бинарных цирконий-ниобиевых сплавов, предназначенному для последующей холодной прокатки изделий, используемых в качестве конструкционных элементов активных зон атомных реакторов.К оболочечным трубам из цирконий-ниобиевых сплавов, используемым в качестве конструкционных элементов активной зоны атомных реакторов, предъявляются наиболее высокие требования по геометрическим размерам, сплошности, механическим свойствам и текстуре.Так, например, допуск на геометрические размеры холоднокатаных труб конечного размера регламентируется величиной 20-30 мкм.Величина несплошности, оговоренная требованиями ТУ 95 2594-96, не должна превышать 35 мкм.Геометрические размеры, дефекты сплошности, характеристики механических свойств и текстуры циркониевых изделий определяют эксплуатационные характеристики конструкционных элементов активных зон атомных реакторов.Точность геометрических размеров, величина и количество дефектов сплошности определяют, кроме того, технико-экономические показатели производства конечных изделий.В процессе горячей деформации цирконий-ниобиевых сплавов протекают процессы упрочнения и разупрочнения. Упрочнение вызывается увеличением внутренних напряжений, плотности дислокации, а также взаимодействием дислокации между собой под воздействием внешних сил.Кроме того, горячепрессованный профиль обладает большой неоднородностью механических свойств и структурного состояния по длине и сечению изделий, обусловленной способом формоизменения, что приводит к снижению технологичности цирконий-ниобиевых сплавов при последующей холодной прокатке, образованию дефектов сплошности и значительному разбросу геометрических размеров холоднокатаного трубного профиля.Высокие значения твердости горячепрессованных изделий, при высокой склонности цирконий-ниобиевых сплавов к налипанию, приводят к увеличению удельных давлений при холодной прокатке и налипанию на инструмент.Для снижения неоднородности механических свойств по длине и сечению, твердости горячепрессованных изделий, повышения технологичности сплава для последующей холодной прокатки применяют различные способы термической обработки.В процессе термической обработки при температурах ниже температурного диапазона предшествующей деформации происходит лишь снятие напряжений, уменьшение плотности дислокации и их перераспределение без значительного разупрочнения цирконий-ниобиевых сплавов.В процессе термической обработки при температурах предшествующей деформации и выше происходит совершенствование текстуры и зерен динамической рекристаллизации с одновременным значительным разупрочнением цирконий-ниобиевых сплавов.Для бинарных цирконий-ниобиевых сплавов прессование в температурной области существования -циркония затруднено. Это связано с дополнительным деформационным разогревом в промышленных условиях прессования, достигающим 100 С и более. Приращение температуры в результате деформационного разогрева превышает температурный диапазон промышленного осуществления процесса, который ограничен, с одной стороны, температурой перехода из - в + -область (590-610 С), с другой стороны, температурой (540 С и ниже) интенсивного снижения диффузионной подвижности атомов и степени динамической рекристаллизации. Процесс горячего прессования в + -области для бинарных цирконий-ниобиевых сплавов имеет наибольшую промышленную применимость.Известен способ получения изделий из циркониевых сплавов, включающий горячее формование и термическую обработку при температуре существования -циркония 380-650 С [RU 2032760; C 22 F 1/18; 10.04.95].Известен способ получения трубной заготовки из сплавов Циркалой-2 или Циркалой-4, в котором формоизменяющую операцию прессования и последующую термическую обработку проводят в области существования -циркония при температуре прессования 590-650 С и температуре последующей вакуумной термообработки при 640 С [FR 2584097; C 22 F 1/18; С 22 С 16/00; G 21 C 3/08; 02.01.87].Приведенные известные способы не применимы для изготовления горячепрессованного трубного профиля из бинарных цирконий-ниобиевых сплавов при проведении операций прессования и термической обработки в -области.Наиболее близким решением к заявляемому является способ, при котором горячее прессование циркониевых сплавов проводят при температуре существования - или + -циркония, а последующую термическую обработку в виде закалки при температуре, превышающей на 30-60 С температуру перехода из + -области в -область [RU 2123065, C 22 F 1/18; 10.12.98].К недостаткам данного способа относится применение высокотемпературной термической обработки из -области в виде операции закалки, которая сопровождается поверхностным окислением сплава, что требует последующего удаления некондиционного слоя механической обработкой и приводит к увеличению потерь металла, переводимого в стружку, и снижению выхода годной продукции.Кроме того, закалка из высокотемпературной области приводит к увеличению твердости, что повышает удельные давления при холодной прокатке и склонность к налипанию сплава на инструмент.Введение дополнительной операции отпуска заготовок после закалки приводит к увеличению цикличности производства и снижению производительности процесса.Предлагаемый способ решает задачу снижения неоднородности механических свойств и повышения технологичности бинарных цирконий-ниобиевых сплавов для последующей холодной прокатки, что способствует уменьшению брака по дефектам сплошности и геометрическим размерам конечного трубного профиля. Кроме того, предлагаемый способ решает задачу повышения интенсивности рекристаллизации и текстурирования сплава в процессе последующих операций холодной прокатки с промежуточными и окончательной вакуумными термообработками и достижения более высоких эксплуатационных характеристик конечных изделий экономически наименее затратным путем по сравнению с прототипом.Это достигается тем, что в известном способе изготовления трубных изделий из циркониевых сплавов, включающем горячее прессование в + -области существования циркония, последующую термическую обработку в температурной области не ниже температуры нагрева заготовок для прессования, термическую обработку горячепрессованного трубного профиля проводят в вакууме в температурном диапазоне, не превышающем 770 С, с выдержками при заданной температуре в течение 1-3 часов и последующим охлаждением со скоростью не менее 1 С/мин.Увеличение температуры нагрева горячепрессованного трубного профиля из бинарных цирконий-ниобиевых сплавов более 770 С приводит к увеличению размера зерна, увеличению объемной доли -фазы с одновременным ее обеднением по ниобию от равновесного (~20%Nb) до промежуточного (7-15%Nb) состава и выделению частиц -фазы по границам зерен, что приводит в дальнейшем к снижению технологичности при холодной прокатке.Уменьшение времени выдержки менее 1 часа не обеспечивает полного разупрочнения сплава, совершенствования текстурных и структурно-фазовых составляющих по длине и сечению горячепрессованного трубного профиля. Выдержки более 3-х часов не приводят к дополнительному увеличению однородности структурно-фазовых составляющих сплава и экономически неоправданны. При скорости охлаждения менее 1 С/мин увеличивается неоднородность структурно-фазовых составляющих горячепрессованного профиля и снижается эффективность воздействия термомеханической обработки на эксплуатационные характеристики конечных изделий.Использование заявляемого технического решения позволяет уменьшить отбраковку по сплошности и геометрическим размерам трубного профиля из цирконий-ниобиевых сплавов и увеличить выход годной продукции, а также улучшить эксплуатационные характеристики изделий за счет улучшения характеристик механических свойств, степени рекристаллизации и текстурных показателей.При анализе патентной и научно-технической информации способов термомеханической обработки трубного профиля из бинарных цирконий-ниобиевых сплавов, обладающих совокупностью существенных признаков заявляемого технического решения, не выявлено.Пример осуществления способа.Предлагаемый способ термомеханической обработки горячедеформированного трубного профиля из бинарных цирконий-ниобиевых сплавов проверен при изготовлении оболочечных труб, отвечающих наиболее высоким требованиям к геометрическим размерам, сплошности, механическим свойствам и текстуре, и реализован следующим образом.Горячедеформированные заготовки из сплава цирконий - 1 мас.% ниобия нагревали в индукционной установке до температуры 650-700 С и прессовали с коэффициентом вытяжки =11,0 в трубные заготовки для холодной прокатки. После механической обработки внутренней поверхности и химической очистки проводили вакуумные термообработки при температурах 700-770 С с выдержками в течение 1-3 часов и последующим охлаждением со скоростью 2-5,5 С/мин. В дальнейшем трубные заготовки подвергали многостадийной холодной прокатке с промежуточными и окончательной вакуумными термообработками в области существования -циркония. После отделочных операций проводили механические испытания, оценку степени рекристаллизации и текстуры, контроль дефектов сплошности и геометрических размеров ультразвуковым методом.Для труб, изготовленных с прессованием в + -области и термообработкой в + -области при 700-770 С, брак по геометрическим размерам отсутствовал, брак по сплошности составил от 3,7 до 5,3%, тогда как для труб, изготовленных с прессованием в + -области и вакуумной термообработкой в -области, брак по геометрическим размерам составил 0,8-6,3%, по сплошности 4,1-17,9%.Для труб, изготовленных по способу-прототипу с прессованием в - или + -области и высокотемпературной термической обработкой в виде закалки при температуре, превышающей на 30-40 С температуру перехода из + -области в -область, брак по геометрическим размерам составил 2,3-4,3%, по сплошности до 35% и более.Эффективность воздействия на технологичность температуры термообработки в зависимости от температуры прессования показана на графиках на чертеже.С уменьшением твердости (HV) и увеличением относительного удлинения (5) улучшается технологичность для последующей холодной прокатки трубного профиля из бинарных цирконий-ниобиевых сплавов.При температурах термической обработки ниже температуры нагрева заготовок для прессования технологичность сплава для последующей холодной прокатки минимальна и характеризуется низкими значениями относительного удлинения и высокими значениями твердости.Изменение твердости и относительного удлинения горячепрессованных труб из сплава цирконий - 1 мас.% ниобия в зависимости от температуры прессования и термической обработки показано на чертеже.В температурном диапазоне не ниже температуры нагрева заготовок для прессования и не превышающем 770 С технологичность сплава для последующей холодной прокатки максимальна.При температурных значениях выше 770 С отмечается некоторое снижение технологичности сплава, характеризуемое уменьшением относительного удлинения, что связано с выделениями частиц -фазы по границам зерен.Эксплуатационные характеристики труб, изготовленных по предлагаемому способу, по результатам рентгеноструктурных исследований и механических испытаний характеризуются значениями степени рекристаллизации Кр 0,65 и текстурными показателями радиального направления fR 0,53, значениями пластичности в поперечном направлении при температурах испытания 20 С и 380 С не менее 29,0% и 34,0% соответственно.Использование предлагаемого технического решения позволит повысить выход годного и эксплуатационные характеристики трубных изделий из бинарных цирконий-ниобиевых сплавов.Формула изобретения
Способ термомеханической обработки горячедеформированного трубного профиля из бинарных цирконий-ниобиевых сплавов, включающий горячее прессование горячедеформированной заготовки в +-области и термическую обработку в температурной области не ниже температуры нагрева заготовок под прессование, отличающийся тем, что термическую обработку проводят в вакууме в температурном диапазоне, не превышающем 770С, с выдержкой при заданной температуре в течение 13 ч и последующим охлаждением со скоростью не менее 1С/мин.РИСУНКИ
Рисунок 1