本發(fā)明涉及一種通過相變處理弱化鋯合金板材織構(gòu)的方法，該方法要求對鋯合金樣品進行特定工藝的熱處理加工，從而使得其較為穩(wěn)定的晶體織構(gòu)特征發(fā)生顯著變化，進而提高使用性能，屬于鋯合金加工技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

鋯合金具有低的熱中子吸收截面、優(yōu)異的耐腐蝕表現(xiàn)以及較好的綜合力學性能，長期以來被用作核反應(yīng)堆的燃料包殼管，迄今仍是核反應(yīng)堆中不可替代的主要結(jié)構(gòu)材料之一。商用鋯合金在大部分加工流程及使用工況下以密排六方（hcp）結(jié)構(gòu)的α相為主。由于hcp結(jié)構(gòu)金屬的晶體對稱性低、獨立滑移系少，α-zr在加工過程中很容易產(chǎn)生明顯的晶粒擇優(yōu)取向，形成很強的織構(gòu)。上世紀中期，研究人員在解決鋯合金作為包殼管發(fā)生氫脆的問題時，發(fā)現(xiàn)氫化物的析出與織構(gòu)有十分密切的關(guān)系，于是鋯合金織構(gòu)的研究變得十分重要。隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)對于非成品態(tài)的鋯合金而言，織構(gòu)不僅會影響其在后續(xù)加工過程中產(chǎn)生顯著的力學各向異性，致使材料的變形抗力增加，大大降低其塑性加工能力。而對于成品包殼管而言，織構(gòu)不僅影響鋯合金的機械強度、塑性、蠕變、疲勞等常規(guī)力學性能，還與氫化物的取向、輻照生長、應(yīng)力腐蝕開裂、（水側(cè)腐蝕）癤狀腐蝕等堆內(nèi)表現(xiàn)密切相關(guān)。所以，織構(gòu)的研究及控制在鋯合金的開發(fā)和利用中具有十分重要的地位和作用。大量的研究表明，鋯合金的織構(gòu)對其加工性能、各項異性力學性能、氫化物的取向、輻照生長性能及耐腐蝕性能等具有十分關(guān)鍵的作用。因此，鋯合金織構(gòu)的研究及控制對提高其各項性能，進而大大延長其換料周期是至關(guān)重要的。

王衛(wèi)國和周邦新的研究（《核動力工程》1996年第17卷255-261頁）發(fā)現(xiàn)，只要限定在α相區(qū)，軋制溫度的變化幾乎不改變鋯合金板材的織構(gòu)。而gerspach等（scriptamaterialia,2009,60:203-206.）對鋯合金回復(fù)再結(jié)晶行為的研究指出，軋制織構(gòu)在回復(fù)及初次再結(jié)晶過程中都不發(fā)生變化。在隨后的晶粒長大過程中，由于<11-20>//rd取向的晶粒更容易長大，最終會形成<11-20>晶向平行于軋向的基面雙峰織構(gòu)，其宏觀表現(xiàn)僅僅是大部分晶粒繞各自的c軸旋轉(zhuǎn)了約30°，而織構(gòu)強度幾乎不變。這些工作說明僅僅通過在α相區(qū)進行冷熱變形及退火處理，難以使鋯合金板材的織構(gòu)發(fā)生顯著的改變。

值得注意，純鋯或鋯合金加熱至高溫時會發(fā)生同素異構(gòu)固態(tài)相變，即從hcp結(jié)構(gòu)的α相轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方（bcc）結(jié)構(gòu)的β相，而經(jīng)歷相變可能會使其織構(gòu)發(fā)生顯著變化。一般而言，鋯合金相變時α與β兩相之間遵循特定的取向關(guān)系，即{0001}α//{110}β和<11-20>α//<111>β，稱為burgers取向關(guān)系。根據(jù)這種取向關(guān)系，并考慮hcp與bcc結(jié)構(gòu)的晶體對稱性可知，升溫過程中一個α取向可以轉(zhuǎn)變成6個等可能性的β取向，而高溫冷卻過程中一個β取向可以轉(zhuǎn)變成12個等可能性的α取向。由此可知，經(jīng)歷一次完整的α→β→α相變，當不存在變體選擇時，一個初始的α取向最終可以等比例地生成72個α取向。由此可知，進行高溫熱處理使鋯合金發(fā)生相變，有可能顯著弱化鋯合金的織構(gòu)。chai等（journalofnuclearmaterials2013,440:377-381.）近年的研究在經(jīng)高溫處理的鋯合金中檢測到了由同一個母相轉(zhuǎn)變得到的全部12個α變體，進一步說明了通過相變改變鋯合金織構(gòu)的可能性。然而，迄今為止，采用具體的熱處理的方法調(diào)控鋯合金織構(gòu)的詳細步驟、主要參數(shù)范圍及其織構(gòu)變化的程度還尚未見報道。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明的目的是提供一種通過相變處理弱化鋯合金板材織構(gòu)的方法，解決如何降低鋯合金板材各向異性的問題，從而提高其使用性能。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種通過相變處理弱化鋯合金板材織構(gòu)的方法，包括以下步驟：

（1）工件的準備

首先依次選用800#、1200#、2000#和4000#砂紙將鋯合金板材樣品各個面打磨至光亮，然后將樣品整體浸入由硝酸、氫氟酸和蒸餾水組成的腐蝕混合溶液中，同時不斷晃動試樣，用以充分去除樣品表面附著的氧化物、污漬等；腐蝕混合液中各組分的體積比為：35-50%硝酸，35-50%蒸餾水，5-15%氫氟酸。10-15s后取出樣品，用清水和乙醇依次清洗樣品表面，最后吹干其表面，吹干后試樣的表面沒有水漬的痕跡；

（2）樣品的真空密封

將表面清洗處理后的樣品真空密封在石英玻璃管中，封管過程中保證石英管內(nèi)的真空度p<5×10^-2pa，確保后續(xù)高溫熱處理過程中樣品表面不發(fā)生氧化、吸氫等反應(yīng)；

（3）兩相區(qū)熱處理

采用開啟箱式熱處理爐，將爐膛溫度升至鋯合金α+β兩相區(qū)溫度時，將封管后的鋯合金樣品放入爐膛，進行退火保溫處理；該熱處理過程的主要參數(shù)范圍：退火保溫溫度在820-980°c之間，保溫時間10-500分鐘之間；

（4）快速冷卻

退火保溫結(jié)束后，打開箱式爐，將封管樣品取出，并迅速用夾鉗將石英管夾碎，使管中的鋯合金樣品滑入事前準備的冷卻介質(zhì)中，保證冷卻速率>100°c/s；取出經(jīng)兩相區(qū)熱處理后的樣品，檢查其表面質(zhì)量，可以發(fā)現(xiàn)表面依然光亮；織構(gòu)測試顯示，板材樣品中初始的強基面雙峰晶體織構(gòu)，經(jīng)所述方式處理后，其織構(gòu)強度顯著降低，晶粒擇優(yōu)取向明顯弱化。

進一步，所述腐蝕混合液由硝酸（濃度>65%）、氫氟酸（濃度>40%）和蒸餾水組成，其中各組分的體積比為：35-50%硝酸，35-50%蒸餾水，5-15%氫氟酸。

相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下有益效果：

1、本發(fā)明通過相變處理弱化鋯合金板材織構(gòu)的方法，通過在兩相區(qū)保溫并快速冷卻，使鋯合金板材織構(gòu)顯著弱化的方法。經(jīng)所述熱處理制度處理后，其織構(gòu)強度顯著降低，晶粒擇優(yōu)取向明顯弱化，有助于降低鋯合金板材的各向異性，從而提高其使用性能。

2、本發(fā)明方法使具有典型基面雙峰強晶體織構(gòu)（{0001}面投影集中在板材法向附近，且向橫向偏轉(zhuǎn)約25-40°）的鋯合金板材，經(jīng)所述熱處理制度處理后，其織構(gòu)強度顯著降低，晶粒擇優(yōu)取向明顯弱化，有助于降低鋯合金板材的各向異性，從而提高其使用性能。本發(fā)明通過相變處理弱化鋯合金板材織構(gòu)的方法，是在研究zr702合金的熱處理組織和織構(gòu)演變規(guī)律的基礎(chǔ)上得出的，測試結(jié)果顯示，本發(fā)明提供的熱處理方法獲得的織構(gòu)穩(wěn)定，變化規(guī)律明顯，實驗的可重復(fù)性好。

3、本發(fā)明所提供的熱處理方法具有設(shè)備簡單、操作方便、技術(shù)可靠、效率高、可重復(fù)性好及織構(gòu)穩(wěn)定等優(yōu)點。

附圖說明

圖1zr702合金板材的差示掃描量熱（dsc）曲線，通過圖中的放熱峰確定其兩相區(qū)溫度區(qū)間；

圖2zr702合金板材的(a)初始組織；(b)950°c（兩相區(qū)）保溫30min水冷組織；

圖3zr702合金板材的900°c（兩相區(qū)）保溫30min水冷組織；

圖4zr702合金板材的(a)初始織構(gòu)；(b)950°c（兩相區(qū)）保溫30min水冷織構(gòu)；

圖5zr702合金板材900°c（兩相區(qū)）保溫30min水冷板條組織織構(gòu)。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式，對本發(fā)明方法進行詳細說明。

選取尺寸為10mm×12mm×3mm的zr702鋯合金板材作為試樣，對其進行差示掃描量熱（dsc）測試，如圖1所示，通過圖中的放熱峰可以確定其兩相區(qū)溫度區(qū)間為820-980°c。

實施例1：

選用800#、1200#、2000#和4000#砂紙依次將上述zr702鋯合金板材各個面打磨光亮，然后將樣品整體浸入由45%硝酸、45%氫氟酸和10%蒸餾水（體積分數(shù)）組成的腐蝕混合溶液中，同時不斷晃動溶液，腐蝕10s后取出樣品，用清水和無水乙醇依次清洗樣品表面，最后吹干其表面，吹干至試樣的表面沒有水漬的痕跡為止。

將表面清洗處理后的樣品真空密封在石英玻璃管中，封管過程中石英管內(nèi)的真空度p=2×10^-3pa，確保后續(xù)高溫熱處理過程中樣品表面不發(fā)生氧化、吸氫等反應(yīng)。

將真空密封后的樣品放入升溫至950°c的箱式熱處理爐中，保溫30分鐘。隨后打開箱式爐，將封管樣品取出，并迅速將石英管夾碎，使管中的鋯合金樣品滑入事前準備的純水中（冷卻速率約1000°c/s）。

取出經(jīng)兩相區(qū)熱處理后的樣品，檢查其表面質(zhì)量，可以發(fā)現(xiàn)表面依然光亮。對熱處理后樣品進行微觀組織測試，如圖2所示，經(jīng)950°c處理后的組織為由初始的強基面雙峰晶體（{0001}面投影集中在板材法向附近，且向橫向偏轉(zhuǎn)約25-40°）變?yōu)橛傻容S晶和相變板條組成的雙態(tài)組織。對熱處理后樣品進行微觀織構(gòu)測試，如圖4所示，經(jīng)950°c處理后的織構(gòu)強度較初始得到顯著弱化，最大強度值從8.1降為4.2，晶粒擇優(yōu)取向明顯弱化。

實施例2：

選用800#、1200#、2000#和4000#砂紙依次將上述zr702鋯合金板材各個面打磨光亮，然后將樣品整體浸入由45%硝酸、45%氫氟酸和10%蒸餾水（體積分數(shù)）組成的腐蝕混合溶液中，同時不斷晃動溶液，腐蝕10s后取出樣品，用清水和無水乙醇依次清洗樣品表面，最后吹干其表面，吹干至試樣的表面沒有水漬的痕跡為止。

將表面清洗處理后的樣品真空密封在石英玻璃管中，封管過程中石英管內(nèi)的真空度p=2×10^-3pa，確保后續(xù)高溫熱處理過程中樣品表面不發(fā)生氧化、吸氫等反應(yīng)。

將真空密封后的樣品放入升溫至900°c的箱式熱處理爐中，保溫30分鐘。隨后打開箱式爐，將封管樣品取出，并迅速將石英管夾碎，使管中的鋯合金樣品滑入事前準備的純水中（冷卻速率約1000°c/s）。

取出經(jīng)兩相區(qū)熱處理后的樣品，檢查其表面質(zhì)量，可以發(fā)現(xiàn)表面依然光亮。對熱處理后樣品進行微觀組織測試，如圖3所示，經(jīng)900°c處理后的組織由初始的強基面雙峰晶體（{0001}面投影集中在板材法向附近，且向橫向偏轉(zhuǎn)約25-40°）變?yōu)橛傻容S晶和相變板條組成的雙態(tài)組織。對熱處理后樣品進行微觀織構(gòu)測試，如圖5所示，經(jīng)900°c處理后的織構(gòu)強度較初始得到顯著弱化，最大強度值從8.1降為3.2，晶粒擇優(yōu)取向明顯弱化。

綜上，鋯合金板材經(jīng)兩相區(qū)熱處理后，其織構(gòu)強度顯著降低，晶粒擇優(yōu)取向明顯弱化，進而降低鋯合金板材的各向異性，從而提高其使用性能。

研究發(fā)現(xiàn)，純鋯或鋯合金加熱至高溫時會發(fā)生同素異構(gòu)固態(tài)相變，即從hcp結(jié)構(gòu)的α相轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方（bcc）結(jié)構(gòu)的β相，而經(jīng)歷相變會使其織構(gòu)發(fā)生顯著變化。鋯合金相變時α與β兩相之間遵循burgers取向關(guān)系，即{0001}α//{110}β和<11-20>α//<111>β。根據(jù)這種取向關(guān)系，并考慮hcp與bcc結(jié)構(gòu)的晶體對稱性可知，升溫過程中一個α取向可以轉(zhuǎn)變成6個等可能性的β取向，而高溫冷卻過程中一個β取向可以轉(zhuǎn)變成12個等可能性的α取向。由此可知，經(jīng)歷一次完整的α→β→α相變，當不存在變體選擇時，一個初始的α取向最終可以等比例地生成72個α取向。由此可知，進行高溫熱處理使鋯合金發(fā)生相變，會顯著弱化鋯合金的織構(gòu)。所以本發(fā)明中高溫熱處理的關(guān)鍵因素：鋯合金的α+β兩相區(qū)溫度、鋯合金板材的預(yù)處理、熱處理環(huán)境、退火保溫溫度、保溫時間及冷卻介質(zhì)等進行了優(yōu)化，測試分析后發(fā)現(xiàn)，在優(yōu)化的條件下制備的鋯合金板材，鋯合金的原始基面雙峰織構(gòu)（{0001}面投影集中在板材法向附近，向橫向偏轉(zhuǎn)約25-40°）強度明顯減弱，晶粒擇優(yōu)取向明顯弱化，進而降低鋯合金板材的各向異性，從而提高其使用性能。且冷卻速率越高，其織構(gòu)弱化效果越顯著。

最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當中。