本發(fā)明涉及鋯及鋯合金加工，尤其涉及一種低氧zr-sn系合金板材及其制備方法和應用。

背景技術：

1、反應堆燃料元件是核反應堆的核心部件，其性能將直接影響核反應堆的安全性、經濟性及壽命。鋯合金因具有熱中子吸收截面小，在高溫高壓下具有優(yōu)異的機械性能和抗腐蝕性能，并與核燃料uo2具有良好相容性，通常被用作反應堆內包殼材料和堆芯結構材料。zr-2合金通常以粉末的形式作為新一代燃料元件的基體材料使用，zr-2合金粉末中的氧等雜質含量會直接影響燃料元件的性能。而zr-2合金粉末通常是由zr-2合金板材經氫化脫氫法工藝制得。

2、目前，在鋯及鋯合金加工領域，由于氫化脫氫法制備鋯合金粉末的生產過程中會導致鋯粉相對鋯合金板材的氧元素含量增加，而且由含氧較高的鋯粉制備的燃料元件芯體延伸率不滿足技術要求。為了生產出滿足鋯粉技術要求的產品，通常需要低氧含量的zr-2合金板材。而對于滿足氧元素含量≤0.080％(質量分數(shù))、易氫化破碎要求的zr-2合金板材，尚無成熟穩(wěn)定的加工方法。

3、目前zr-2合金板材常采用熔煉、自由鍛、熱軋、冷軋的加工方式生產，可以得到氧含量≤0.16％的板材，但難以滿足高品質zr-2合金對低氧、組織粗利于氫化破碎等性能的要求。因此，如何合理設計zr-2合金板材加工工藝，獲得滿足高品質、質量穩(wěn)定、工藝成熟、低成本要求的低氧zr-2合金板材，是低氧zr-sn系合金板材制備的研究重點。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決相關技術中的技術問題之一。

2、為此，本發(fā)明的實施例提出一種低氧zr-sn系合金板材及其制備方法和應用。

3、第一方面，本發(fā)明提出了一種低氧zr-sn系合金板材的制備方法，參見圖1，包括以下步驟：

4、(a)對海綿鋯進行挑料，使其氧含量比所述低氧zr-sn系合金板材至少低0.015wt％；

5、(b)將挑選的海綿鋯真空加熱烘干后，與zr-sn系合金添加劑壓制成電極塊，并將所述電極塊在惰性氣體保護下焊接成自耗電極；

6、(c)將所述自耗電極進行多次真空熔煉得到低氧zr-sn系合金鑄錠，并進行機加處理；

7、(d)采用高精度帶鋸床將所述低氧zr-sn系合金鑄錠鋸切得到不同厚度規(guī)格的低氧zr-sn系合金板材。

8、步驟(a)中，根據(jù)zr-sn系合金鑄錠配方，對所用海綿鋯進行100％挑料，避免氧化、氮化的海綿鋯以及其他異物的混入。海綿鋯需經過化學成分評估，其氧含量需低于目標zr-sn系合金板材至少0.015wt％。

9、本發(fā)明首先通過挑料工序，選擇低氧海綿鋯為原料，剔除雜質，可使zr-sn系合金板材氧含量滿足高品質、低氧產品要求。

10、進一步地，所述低氧zr-sn系合金板材的氧含量在0.080wt％以下，相應地，原料海綿鋯的氧含量在0.065wt％以下。即需要的目標低氧zr-sn系合金板材的氧含量在0.080wt％以下，其原料海綿鋯的氧含量在0.065wt％以下。

11、進一步地，所述低氧zr-sn系合金板材的氧含量在0.050wt％以下，相應地，原料海綿鋯的氧含量在0.035wt％以下。即需要的目標低氧zr-sn系合金板材的氧含量在0.050wt％以下，其原料海綿鋯的氧含量在0.035wt％以下。

12、進一步地，步驟(b)中，所述真空加熱烘干的溫度為62～150℃，保溫時間在4h以上，且出爐時漏氣率在0.65pa/min以下，溫度在40℃以下。

13、步驟(b)中將已挑選的海綿鋯放置在真空退火爐中，加熱前需抽真空，抽真空時間≥2h，在爐內真空度低于3pa時進行加熱，加熱至62℃～150℃，保溫4h以上，充分去除海綿水分、海綿鋯表層氧、氮等物質。當真空退火爐漏氣率趨于穩(wěn)定，且漏氣率不超過0.65pa/min時，則可出爐，且出爐溫度不高于40℃。

14、真空烘干完成后，將烘干后的海綿鋯、所需zr-sn系合金添加劑等原料壓制成電極塊，并將電極塊在真空等離子焊箱中，在惰性氣體保護氣氛條件下焊接成自耗電極，并清理焊接后焊縫表面的氧化物、焊瘤等異物。

15、進一步地，電極焊接在真空焊箱真空條件下進行，電極焊接前抽真空至真空度≤0.8pa，并進行真空度測漏，漏氣率不大于0.5pa/min。

16、可以理解的是，zr-sn系合金添加劑的種類及添加量根據(jù)具體情況確定。

17、進一步地，焊接時所述惰性氣體的流量在2200l/h以上，所述惰性氣體為氬氣或氦氣。

18、電極焊接時在高流量惰性氣體保護條件下進行，惰性氣體為氬氣或氦氣，焊槍氣體流量≥2200l/h，以更好的防止焊縫氧化，減小氧含量增加。

19、進一步地，所述真空熔煉時抽真空并測漏氣率，真空度在1pa以下，漏氣率在0.5pa/min以下后開始熔煉，所述真空熔煉的電流為10～30a，熔煉速度為6～25kg/min，一次熔煉完成后的鑄錠在壓力值在6000pa以上的氬氣保護條件下冷卻。

20、將焊接后的自耗電極在真空自耗電弧爐中真空熔煉時，先抽真空，至真空度≤1pa，然后進行測漏，漏氣率不大于0.5pa/min時，再開始熔煉，以防止zr-sn系合金鑄錠增氧。真空自耗熔煉用坩堝直徑為φ360mm～φ850mm，熔煉采用大電流，電流為10ka～30ka，低熔速，熔煉速度為6kg/min～25kg/min，鑄錠在氬氣保護條件下冷卻，充氬壓力≥6000pa。熔煉采用大電流、低熔速，增加熔煉熔池活躍度，使雜質充分揮發(fā)，最大程度減小鑄錠熔煉過程中氧含量的增加。

21、熔煉次數(shù)為2～5次，除最終熔次熔煉外，每次鑄錠熔煉后，機加去除鑄錠冠冒、飛邊、外表面機加至金屬光澤，去除表面氧化物等異物。最終熔煉完成后對鑄錠進行機加，采用車床去除鑄錠表面氧化物、氣孔、冷隔、疏松等缺陷，鑄錠表面為機加表面，切除冒口、底墊缺陷。

22、進一步地，所述鋸切時帶鋸走刀速度為0.5～3mm/min，所述低氧zr-sn系合金板材的厚度為3～50mm。

23、對機加后的鑄錠，采用高精度帶鋸床將低氧zr-sn系合金鑄錠鋸切制得厚度為δ3mm～δ50mm不同規(guī)格的低氧zr-sn系合金板材。鋸切時，坯料每次裝夾前都用垂直檢測尺(靠尺)校正，保證板材鋸切尺寸精度。板材鋸切時帶鋸走刀速度為0.5mm/min～3mm/min，較小的走刀速度可以保證板材表面不被氧化，氧含量不增加。

24、本發(fā)明采用鋸切的方式將低氧zr-sn系合金鑄錠分切成鋯合金板材，代替原有鍛造、熱軋、冷軋的板材加工方式，工序流程大大縮短、成品率提高。

25、本發(fā)明采用的鋸切工藝，可以生產出δ3mm～δ50mm各種厚度規(guī)格、各種形狀的板材，工藝靈活，產品豐富，用途廣泛。

26、進一步地，所述低氧zr-sn系合金板材為zr-2或zr-4板材。

27、進一步地，zr-2合金和zr-4合金中氧元素含量≤0.080wt％。

28、進一步地，zr-2合金和zr-4合金中氧元素含量≤0.050wt％。

29、本發(fā)明制備出的zr-sn系合金板材中氧含量小于0.080wt％，更進一步其氧含量可以達到小于0.050wt％的優(yōu)異水平。

30、第二方面，本發(fā)明提出了上述第一方面提出的方法制備得到的低氧zr-sn系合金板材。

31、第三方面，本發(fā)明提出了上述第一方面的方法制備得到的低氧zr-sn系合金板材或上述第二方面提出的低氧zr-sn系合金板材在核反應堆部件中的應用。

32、相對于現(xiàn)有技術，本發(fā)明的有益效果為：

33、本發(fā)明通過加熱干燥、真空保護氣氛焊接、大電流低熔速熔煉等工藝，可以使zr-sn系合金板材在制備過程中氧含量增加控制在0.010wt％，達到真空熔煉制備方法氧含量增加控制的先進水平。

34、本發(fā)明避免了現(xiàn)有熱加工工藝造成的板材表面增氧，最大程度保留了熔煉鑄態(tài)組織，避免了塑性加工造成的板材組織致密的問題。

35、本發(fā)明制備的zr-sn系合金板材含氧量低，易于氫化、脫氫、破碎，適用于制備高品質zr-sn系合金粉末等用途。