способ изготовления плоского профиля из циркониевых сплавов

Формула изобретения

Способ изготовления плоского профиля из циркониевых сплавов, включающий выплавку слитка, получение из него горячим формованием и последующей механической обработкой заготовки под горячую прокатку, горячую прокатку, промежуточную термообработку, холодную прокатку и окончательную термообработку, отличающийся тем, что заготовки под горячую прокатку подвергают закалке с температуры, на 50-150^oС превышающей точку фазового перехода из промежуточной (альфа + бета)-области в бета-область циркония, и отпуску при температуре существования (альфа + бета)-области циркония.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии, к прокатному производству, и предназначено, в частности, для изготовления плоского профиля из циркониевых сплавов, используемых в качестве конструкционных материалов в активных зонах атомных реакторов, в химической и нефтегазовой промышленности.

Известен способ изготовления плоского профиля из сплава циркония или сплава гафния горячей прокаткой после повторного нагрева ИК-излучением и применение сплавов (Патент Франции 2716897, C 22 F 1/16, 1996). Способ пригоден для изготовления элементов из сплавов циркония или гафния для ядерных реакторов на воде.

Для изготовления листового материала или лент из сплавов циркония или гафния обжимают горячую заготовку, затем ее подвергают горячей прокатке в области альфа. Прокатку проводят в несколько проходов с одним или несколькими нагревами в печи до температуры T_k, что улучшает деформируемость заготовки. Далее проводят холодную прокатку с одним или несколькими циклами прокатки и термической обработки. При этом проводят один проход горячей прокатки, следующей за последним нагреванием в печи проката, по меньшей мере на 100^oС со скоростью 4^oС в секунду ИК-излучением с длиной волны 0,8-5 мкм, с последующей горячей прокаткой до достижения конечной толщины проката, равной 0,8 от толщины заготовки, подвергнутой горячей прокатке.

Однако применение данного способа требует создания специального оборудования для нагрева ИК-излучением. Осуществление горячей прокатки в температурной области альфа вследствие узкого диапазона ее существования ограничивает технологические возможности циркониевых сплавов для получения качественного подката.

Известен способ изготовления листов из сплава циркония с высокой коррозионной стойкостью к деформациям при облучении (Патент Франции 2723965, С 22 F 1/16, 1997), в котором для изготовления листов из сплава циркония, пригодных для выполнения элементов котлов, сначала получают под вакуумом отливку из соответствующего сплава, которую подвергают ковке и горячей прокатке, затем заготовку подвергают закалке после повторного нагрева в области бета, после нагрева подвергают горячей прокатке, тепловой обработке в области альфа, далее холодной прокатке с последующей термической обработкой в области альфа и окончательной холодной прокатке с рекристаллизационным отжигом в области альфа. Причем горячую прокатку листа после закалки, начиная из области бета, осуществляют в первом направлении, затем в перпендикулярном первому направлению прокатки.

Недостатком известного способа является его низкая производительность из-за многочисленных нагревов. Кроме того, использование прокатки листа в различных направлениях требует применения специального стана с удлиненными валками, иначе прокатка в перпендикулярном первому направлении невозможна, особенно заготовки под листы большой длины.

Известен способ изготовления листов, применяемых для изготовления корпусных деталей ядерных реакторов с однородной структурой из сплавов Циркалой 2 или Циркалой 4 (Патент Франции 2683828, C 21 D 8/02, 1993). Способ предусматривает нагрев листа из Циркалоя 2 или Циркалоя 4 толщиной 9 мм до температуры выше 1020^oС, закалку в воду при температуре ниже 15^oС. Продолжительность перехода между печью для нагрева и закалочной средой менее 15 секунд, затем после термомеханической и/или механической обработки лист подвергают окончательной термической обработке при 700-750^oС в течение 1-3 минут.

Недостатком известного способа является малое время выдержки при окончательной термообработке листа, этого времени недостаточно для протекания в сплаве структурно-фазовых изменений, определяющих требуемые свойства и эксплуатационную надежность изделий. Проведение процесса закалки после горячей прокатки листа до 9 мм приводит к тому, что заготовка перед горячей прокаткой имеет малую технологичность, хотя основная деформация проводится именно на стадии горячего проката. Кроме того, данный способ применим только для сплавов Циркалой 2 или Циркалой 4.

Известен способ изготовления листов из сплава циркония - 2,5 мас.% ниобия, включающий получение заготовки ковкой, нагрев, горячую прокатку, промежуточную термообработку, холодную прокатку и окончательную термообработку, отличающийся тем, что нагрев и начало горячей прокатки проводят в интервале ниже температуры + - превращения на 70-150^oС (Патент Российской Федерации 2021043, В 21 В 3/00, публ. 15.10.94. Б.И. 19). Данный способ, как наиболее близкий по технической сущности к заявляемому способу, выбран в качестве прототипа.

Согласно описанию прототипа при получении заготовки ковкой происходит деформация исходного слитка в областях существования бета- и (альфа + бета)-циркония, вследствие чего заготовки под горячую прокатку имеют различное структурное состояние и фазовый состав по длине и сечению. Кроме того, в данном способе после ковки не предусмотрена термообработка, необходимая для снятия напряжений, возникающих в заготовке при деформации 82,5-83% и последующей механической обработке. Применение нагрева заготовки под горячую прокатку в интервале ниже температуры + - превращения на 70-150^oС не может устранить исходную неоднородность заготовок, что подтверждается результатами контроля готовых листов. Партии листов, полученные из таких заготовок, характеризуются нестабильностью механических свойств даже в пределах одного листа, структура металла по длине и толщине листа неоднородна. Кроме того, данный способ применим только для сплава циркония с 2,5 мас.% ниобия.

Изобретение решает задачу устранения наследственной неоднородности структуры плоского профиля из различных циркониевых сплавов в процессе изготовления, повышения качества и выхода годных изделий.

Технический результат достигается тем, что в известный способ, включающий выплавку слитка, получение из него горячим формованием и последующей механической обработкой заготовки под прокатку, горячую прокатку, промежуточную термообработку, холодную прокатку и окончательную термообработку, вводят следующие операции:

- закалку заготовки под прокатку с температуры, на 50-150^oС превышающей точку фазового перехода из промежуточной (альфа + бета)-области в бета-область циркония;

- отпуск закаленной заготовки в промежуточной (альфа + бета)-области циркония.

Закалка заготовки под горячую прокатку приводит сплав в однородное структурное состояние мартенситного типа с максимальным растворением при нагреве под закалку примесных или интерметаллидных фаз. Последующий отпуск закаленных заготовок приводит к равномерному распределению примесных и интерметаллидных образований, кроме того, позволяет снизить твердость заготовок и увеличить технологичность сплава для последующей горячей прокатки.

Из проанализированных источников патентной и научно-технической литературы аналогов, порочащих заявляемый способ получения плоского профиля из циркониевых сплавов, не выявлено.

Примеры осуществления предлагаемого способа.

Пример 1. Из бинарного циркониевого сплава Zr-2,5Nb изготавливали слиток. Слиток подвергали ковке. Из поковки изготавливали механической обработкой заготовки. Заготовки подвергали закалке с температуры 960-990^oС (температура полиморфного превращения сплава T_пп=860-870^oC) в воду. Закаленные заготовки подвергали отпуску при температуре 740-770^oС (температура перехода из альфа-области в промежуточную (альфа + бета)-область циркония 610^oС). Затем с заготовки механическим способом снимали некондиционный слой металла. После этого нагревали и подвергали горячей прокатке. Полученный подкат после проведения операции отжига подвергали холодной прокатке. Окончательный отжиг листов проводили после последнего хода холодной прокатки. Отожженные листы подвергали отделочным операциям до получения готового изделия толщиной 1,0 мм.

Пример 2. Из многокомпонентного циркониевого сплава Циркалой 4, изготавливали слиток. Слиток подвергали ковке. Из поковки изготавливали механической обработкой заготовки. Заготовки подвергали закалке с температуры 990-1030^oС в воду. Закаленные заготовки подвергали отпуску при температуре 730-770^oС. Затем с заготовки механическим способом снимали некондиционный слой металла. После этого обработанные заготовки нагревали и подвергали горячей прокатке. Полученный подкат после проведения операции отжига подвергали холодной прокатке. Окончательный отжиг листов проводили после последнего хода холодной прокатки. Отожженные листы подвергали отделочным операциям до получения готового изделия толщиной 1,5 мм.

В таблице 1 приведены значения твердости закаленно-отпущенных заготовок из сплава Zr-2,5Nb, изготовленных по заявляемому способу, в зависимости от времени отпуска.

В таблице 2 приведены режимы операций термообработки полуфабрикатов из циркониевых сплавов по известному (прототипу) и заявляемому способам.

В таблице 3 приведены механические свойства изделий при испытаниях на растяжение (Тисп.=320^oС), полученных способом, описанным в примере 1, и для сравнения свойства изделий, полученных по известному способу.

Свойства изделий, изготовленных по прототипу и заявляемому способу, представлены на фиг.1-5.

На фиг.1 представлена макроструктура заготовок из сплава Zr-2,5Nb после закалки по заявляемому способу при различных температурах.

На фиг.2 показаны изменения интенсивности рефлексов бета-фазы циркония, примесных фаз, содержащих фтор и кремний, полуширины рефлексов фазы альфа-циркония в сплаве Zr-2,5Nb при различных температурах закалки.

На фиг.3 представлена микроструктура заготовок из сплавов Zr-2,5Nb (а) и Циркалой 4 (б) после закалки и отпуска по заявляемому способу.

На фиг.4 - макроструктура заготовок из сплавов Zr-2,5Nb (а) и Циркалой 4 (б) после операций закалки и отпуска по заявляемому способу.

На фиг.5 представлена микроструктура листов из сплава Zr-2,5Nb, изготовленных по заявляемому способу (б) и его прототипу (а).

Критерием выбора режима закалки является обеспечение полной фазовой перекристаллизации сплава при нагреве до температуры, на 50-150^oС превышающей точку фазового перехода из промежуточной (альфа + бета)-области в бета-область циркония. Дальнейшее повышение температуры закалки приводит к росту зерна (фиг.1). Снижение температуры закалки от предложенной не обеспечивает формирование однородного структурного состояния сплава с максимальным растворением примесных и интерметаллидных фаз (фиг.2).

Отпуск закаленной заготовки из циркониевых сплавов в предложенном интервале температур приводит к распаду пересыщенного твердого раствора с выделением мелкодисперсных частиц бета-фазы, примесных или интерметаллидных фаз, равномерно распределенных по всей циркониевой матрице (фиг.3). Широкий интервал температур отпуска обусловлен существенным различием в температурах фазовых переходов для бинарных и многокомпонентных циркониевых сплавов. Так для многокомпонентного сплава Циркалой 2 точка фазового перехода из альфа-области в промежуточную (альфа + бета)-область циркония соответствует 810^oС (Патент США 2894866), а для бинарного сплава Zr-2,5Nb - 590-610^oС (А.С. Займовский, А. В. Никулина, Н. Г. Решетников. Циркониевые сплавы в ядерной энергетике. М.: Энергоатомиздат, 1994).

Структура листов, полученных из закаленных и отпущенных заготовок (таблица 2), однородна по толщине листа, с равноосными зернами (фиг.4, 5б) в отличие от листов, изготовленных по известному способу (фиг.5а).

Вышеприведенные изменения структурного состояния листов, полученных по заявляемому способу, приводят к стабилизации механических свойств и снижению количества брака (таблица 3).

Из приведенных примеров получения листов по заявляемому способу и примера получения аналогичных изделий по прототипу видно, что заявляемый способ обеспечивает получение изделий из многокомпонентных и бинарных циркониевых сплавов высокого качества.

В настоящее время на ОАО "ЧЕПЕЦКИЙ МЕХАНИЧЕСКИЙ ЗАВОД" проводится опытно-промышленный выпуск плоского профиля из циркониевых сплавов с использованием заявляемого способа.