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首頁(yè) 檢測技術(shù)與成果

分享:鋯合金管材氣體滲氫過(guò)程

鋯合金具有優(yōu)異的核性能,它的熱中子吸收截面小,比許多金屬結構材料低,堆內輻照后,傳熱性能和抗腐蝕性能好,故鋯合金常用于核動(dòng)力反應堆包覆材料和其他結構材料[1]。由于鋯合金大量應用于水冷反應堆,其在高溫條件下與水蒸汽反應(Zr+2H2O→ZrO2+2H2)析出的氫一部分留于水中,一部分被鋯吸收,這就是“吸氫”現象。由于氫在鋯中的固溶度有限,一旦超出固溶度就會(huì )析出氫化鋯相,該相是脆性相,容易產(chǎn)生微裂紋,使材料韌性和強度降低,從而使材料變脆[2]。因此研究鋯合金在含有氫或水蒸汽的氣氛的性能具有重要的工程意義。

以檢測氫化物取向因子(Fn)評價(jià)鋯合金“吸氫”性能。國內鋯合金Fn檢測中的滲氫基本采用高壓釜滲氫,操作復雜、時(shí)間長(cháng)、安全系數較低,而國外多采用氣體滲氫,具有操作簡(jiǎn)單、時(shí)間短、安全系數較高等優(yōu)點(diǎn),便于推廣。滲氫是后續檢測的基礎,只有達到標準要求的滲氫含量和狀態(tài)才可以正確檢測,所以只有穩定控制滲氫工藝,才能將影響氫化物結果的實(shí)驗過(guò)程因素降到最低。本文系統地探討了滲氫時(shí)間、滲透擴散機理以及干法滲氫效果等因素對鋯合金管材氣體滲氫過(guò)程的影響。

1. 實(shí)驗設備與過(guò)程

1.1 氣體滲氫設備

氣體滲氫實(shí)驗采用的是氣體滲氫系統。按照GB/T 38913—2020標準中規定的設備和方法開(kāi)展實(shí)驗。氣體滲氫過(guò)程是將試樣放在石英管中,通入1.5%(體積分數)氫氣和其余為氬氣的混合氣,在加熱爐內加熱到400 ℃保溫數3~6 h后冷卻,使鋯合金管材中氫化物析出。

1.2 氫滲透過(guò)程計算模型

滲氫過(guò)程實(shí)際上是非穩態(tài)擴散,符合菲克第二定律,示意圖如圖1所示。

圖1表示兩個(gè)垂直于x軸的單位平面,而間距為dx,若J1J2表示擴散時(shí)流入兩平面的擴散通量,兩面之間的溶質(zhì)濃度隨時(shí)間的變化率為?C/?t,在dx范圍的微體積中溶質(zhì)的積累速率為

式中,D為擴散系數,C為擴散物質(zhì)的體積濃度。如若將擴散系數看作常數,氣體滲氫在富含一定濃度的氫氣、氬氣混合氣體中進(jìn)行,假設氫在α-Zr中的擴散系數是常數D,計算公式為D=4.74×10?4e?5940/RT?=4.74×10?4e?5940/??(400 ℃下,氫在α-Zr內的擴散系數為6×10?6 cm2/s)。


初始條件t=0,C=C0, C0為α-Zr的原始含氫量,邊界條件t>0,x=0,C=Cs;x=∞,C=C0,即假定滲氫一開(kāi)始,表面氫氣濃度Cs,并能一直保持這個(gè)濃度。

對于上述條件,氣體滲氫常用誤差函數分布作為解,即


式中,erf為誤差函數,其中Zr在400 ℃為(hcp)結構,假設混合氣體中1.5%的氫完全占據了Zr管材表面一層單晶胞(hcp)的12個(gè)四面體間隙,此時(shí)表面得到的氫濃度就是滲氫初始時(shí)表面的濃度Cs。


即:Cs≈164×10?6 代入式(2)中得


依據該模型,查誤差函數表可得:t≈4 h。

1.3 實(shí)驗過(guò)程

本實(shí)驗采用同一批次的?9.5 mm鋯合金管材,狀態(tài)為消應力退火,在1.5%(體積分數)氫氣和其余為氬氣的混合氣氣氛條件下,加熱到400 ℃后,根據計算模型,分別選取保溫時(shí)間3.5、3.75、4、4.25、4.5、4.75、5和5.25 h,實(shí)驗結束后分別對不同保溫時(shí)間的試樣進(jìn)行顯微組織觀(guān)察和氫含量測試。

2. 實(shí)驗結果

圖2為不同保溫時(shí)間鋯合金管材顯微組織照片,對應的氫含量結果如表1。圖2(a)中氫化物析出較少(小于100×10?6),氫化物多短?。藴室箝L(cháng)度大于15 mm),不能準確有效檢測Fn;圖2(b)顯示氫化物析出合適(150×10?6左右),該氫化物較均勻、長(cháng)短適宜,未纏繞[3],能夠清晰反映出該管材整體氫化物取向的特征,達到評判的標準對氫含量的要求,便于Fn檢測;圖2(c)顯示氫化物析出較多(大于170×10?6),該氫化物片層多纏繞在一起,不能準確計算徑向和周向的數量,不能夠有效檢測Fn。

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