摘 要:某Zr-1锆锭在进行无损检测时发现内部存在缺陷。采用宏观观察、化学成分分析、金 相检验、硬度测试、扫描电镜及能谱分析等方法,对该缺陷的形成原因进行了分析。结果表明:锆锭 缺陷的形成原因是熔炼时使用的电极被污染,引入了外来夹杂物,导致铜元素被引入Zr-1锆锭,未 熔化的氧化铜颗粒和熔化的铜形成了锆铜合金,在Zr-1锆锭中形成了硬脆相夹杂物。
关键词:Zr-1锆锭;缺陷;夹杂物;锆铜合金
中图分类号:TB31 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2023)03-0028-03
锆合金材料具有优良的吸收中子能力、良好的 加工性能和耐腐蚀性能,被广泛应用于核电、石化、 冶金等行业[1-3]。锆合金材料铸锭(锆锭)的质量直 接影响管材、棒材、板材及其最终产品的质量、性能 稳定性以及生产成本等,因此必须严格控制锆锭的 质量。Zr-1锆锭的制备过程为:选择工业海绵锆 添加元素混料布料电极的等离子焊接真空自 耗电弧熔炼(电磁搅拌)。某Zr-1锆锭在进行无损 检测时发现内部存在缺陷,笔者对该锆锭进行一系 列理化检验,查明了缺陷产生的原因,并提出了相关 建议,以避免该类问题再次发生。
1 理化检验
1.1 宏观观察
锆锭缺陷的宏观形貌如图1所示,可见缺陷与 基体之间有清晰的界面,缺陷呈灰白色。
1.2 化学成分分析
锆锭的化学成分分析结果如表1所示,可知该 锆锭的化学成分满足 GB/T26314—2010《锆及锆合金牌号和化学成分》对Zr-1锆锭的要求。
1.3 金相检验
锆锭的显微组织形貌如图2所示。由图2可 知:锆锭的缺陷与基体之间有明显的界线,缺陷的心 部组织为等轴组织,且存在黑色夹杂物;缺陷边部为 白色粗大的富α相区域;基体组织为粗大片状的魏 氏组织。
1.4 硬度测试
在锆锭缺陷的心部、边部和基体位置取样进行 硬度测试,结果如表2所示,可见锆锭缺陷的硬度远 大于基体的硬度,说明缺陷为硬脆物。
1.5 扫描电镜(SEM)及能谱分析
在锆锭缺陷的心部、边部和基体位置取样进行 SEM 分析,结果如图3所示。由图3可知:缺陷心 部组织细小致密,缺陷心部的位置1~3处为夹杂 物,位置4处为等轴组织;缺陷边部为富α相区域, 比基体亮度大;基体为粗大的片状组织。
对缺陷心部区域(位置1~4)进行能谱分析,结 果如表3所示。由表3可知:该缺陷夹杂物分为两 类,一类是以铜元素为主体元素的含氧化合物,很可 能为氧化铜;另一类为锆铜合金。
2 综合分析
由上述理化检验结果可知:锆锭缺陷和基体之 间有明显的界线,硬度较大,说明锆锭缺陷为硬脆相 夹杂物。缺陷的边部组织为粗大的富α相,硬度约 为700HV,边部组织区域的特征符合富α相硬偏 析的特征,且存在碳、氮、氧等元素富集的情况。碳、 氮、氧等元素的富集会使α相的相变温度与硬度显 著升高,导致基体已经由α相转变为β相后,该区域还未发生相变,仍然保持α相,造成该区域α相富 集,这就是间隙元素偏析。因此,缺陷的边部组织区 域为间隙元素偏析区域[4]。
缺陷的心部硬度约为880~1000HV,说明缺 陷心部为硬脆相夹杂物,夹杂物分为两类,一类为间 隙元素与铜形成的硬夹杂物氧化铜,另一类夹杂物 为锆铜合金。缺陷与基体之间存在明显界线,可以 排除冒口未清除干净而引入缺陷的可能,因此该间 隙元素偏析的形成原因有:熔炼前或熔炼过程中有 杂质掉入熔池,或是制作自耗电极过程中带入。这 两种情况都会产生富α相过渡组织,显微组织中都 会显示出明显的过渡区域。
这类间隙元素偏析是由碳、氮、氧等α相稳定元 素局部富集,且与锆元素形成氮化物、氧化物而引起 的。这类化合物的特征是硬而脆,会严重损害材料 的疲劳强度和塑性。碳、氮、氧元素的主要来源是海 绵锆及掉入的废料,或者是在制作自耗电极过程中 焊接带入。缺陷的形成原因为:熔炼前或熔炼过程 中铜或氧化铜的引入形成了间隙元素偏析缺陷。
锆锭基体中不含铜元素,铜的熔点远低于锆的 熔点,如果海绵锆中含有铜元素,在熔炼过程中,铜 元素会挥发,不会残留在锆锭中,说明海绵锆中不含 铜或氧化铜;熔炼时使用的铜坩埚完好无损,这就排除了坩埚引入铜的可能性,因此说明缺陷中的铜元 素是异常引入的。通过生产方了解到,在该锆锭熔 炼前,刚刚熔炼完Zr-4锆锭(含有Cu元素),电极上 残留着未熔化的铜颗粒,引入了外来夹杂物,导致铜 元素被引入Zr-1锆锭。
3 结论与建议
Zr-1锆锭缺陷的形成原因为:熔炼时使用的电 极被污染,引入了外来夹杂物铜颗粒,未熔化的氧化 铜颗粒和熔化的铜形成了锆铜合金,在缺陷心部形 成了硬脆相夹杂物,导致Zr-1锆锭产生缺陷。
建议严格控制海绵锆的质量,提高自耗电极焊 接过程的真空度和清洁度。
参考文献:
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