N36锆合金管气相渗氢试验方法研究

谢 梦 雷 雨 徐春容 惠泊宁

(1.西部新锆核材料科技有限公司 陕西 西安 710016；2.中国核动力研究设计院 反应堆燃料及材料重点实验室 四川 成都 610041)

N36锆合金管气相渗氢试验方法研究

谢 梦1雷 雨1徐春容2惠泊宁1

(1.西部新锆核材料科技有限公司 陕西 西安 710016；2.中国核动力研究设计院 反应堆燃料及材料重点实验室 四川 成都 610041)

采用气相渗氢装置对N36锆合金成品管进行渗氢试验，对渗氢后的管材进行金相分析及氢含量分析，研究了渗氢温度、保温时间、气流量对N36锆合金管材中氢含量及氢化物的影响。结果表明：当渗氢温度由350℃增加到400℃时，氢含量增加，氢化物形貌由颗粒状变为长条状；当保温时间由1h增加到6h，氢含量增加到470ppm，氢化物呈环向分布。

N36锆合金管；氢化物；气相渗氢

在核反应堆中，容纳核燃料的锆合金包壳管作为第一道安全屏障，直接影响着整个电厂的安全运行[1]。在服役条件下，管内有燃料的热膨胀和裂变气体等压力的作用(内压)；管外有冷却介质水的作用(外压)，而内压远远大于外压。内压力使包壳管引起两向应力：纵剖面上的正应力—圆周方向和横剖面上的正应力—纵向拉伸应力，且环向应力大于纵向应力。包壳管吸氢后，过饱和的氢将会形成脆性相的氢化锆。而水冷核反应堆在运行中最棘手的问题之一就是氢化锆所造成的燃料棒破损[1]。

N36锆合金管是我国自主研发的Zr-Sn-Nb系高性能锆合金包壳材料，鉴于N36锆合金不同于Zr-Sn系(Zr-4合金)的合金成分和特有的制备工艺，开展其氢化物研究是非常必要而又迫切的。为了模拟反应堆中氢化物对N36锆合金管力学性能的影响，因此堆外一般采用高压釜进行渗氢。但高压釜渗氢会对锆合金管材表面形成致密的氧化膜，影响氢化物对管材力学性能的研究。因此，本文采用气相渗氢装置，研究N36锆合金管材的气相渗氢试验方法。

一、试验材料与方法

(一)试验材料

试验材料为500 kg级N36锆合金成品管，再结晶状态。试样名义外径D为9.5 mm，壁厚t为0.57 mm。

(二)实验方法

本次试验中采用的氢源为混合气体，其中氢含量为2.5%，其余为为惰性气体Ar：97.5%。气相渗氢设备试验装置主要包括抽真空设备、加热炉、进气和出气装置。N36锆合金采用气相渗氢，使试样含有不同的氢含量，便于后续进行氢含量对力学性能影响的研究。采用5mm长的试样，并进行酸洗去除试样表面的油污及氧化物。

将试样放入炉管的均温区，抽真空至(1.0～3.0)×10-2Pa，然后充入混合气体，调节流量，流量稳定后，关闭真空设备，加热一定温度保温，保温一定时间后，关闭加热炉，将炉管拉出一半，后随炉冷却至200℃，最后空冷至80℃以下，取出试样。

采用控制保温时间以及气流量来获得不同的氢含量。本次试验中，保温温度为350℃、380℃、400℃。气相渗氢后的N36锆合金管材试样抽样进行氢含量的分析。气相渗氢后的N36锆合金管材试样同时在金相显微镜下观察氢化物形貌。

二、实验结果与讨论

(一)温度对N36锆合金管材氢化物形貌的影响

图1是N36锆合金管材在不同试验温度下(气流量50L/h、保温时间2h)的氢化物金相照片。

图1 不同温度下(气流量50L/h、保温时间2h)的

图(a)中氢化物呈细小的颗粒状，图(b)中细条状的氢化物连接在一起呈条状环向分布，图(c)中氢化物明显的呈细条状环向分布于横截面上。随着渗氢保温温度的增加，氢含量有所增加，并且氢化物形貌也具有较大的变化，由颗粒状变化细长状。采用金相图谱进行氢含量分析，在350℃、380℃、400℃时氢含量分别约为60ppm、75ppm、120ppm，氢含量有所增加。

(二)保温时间对N36锆合金管材氢化物形貌的影响

图2是N36锆合金管材在400℃下，不同气流量及保温时间下的氢化物金相照片。

从图中可以看出，氢化物基本均呈环向分布，随着保温时间的增加，由细条状缠结在一起，氢化物数量明显增多。采用化学分析方法进行氢含量分析，结果如表1所示。

表1 N36锆合金在不同气流量及保温时间下的氢含量

图2 不同气流量、保温时间(L/h-h)的N36锆合金氢化物金相照片

三、结果与讨论

氢原子的半径小，很容易借助空位进行扩散，使基体金属内达到氢的平衡固溶度。本试验中，采用气相渗氢，氢原子的来源充足而不断进入基体。当氢含量超过固溶度时，氢原子在能量起伏、成分起伏、结构起伏几率较大的晶界处形成氢化物核心，进而导致其周围的氢原子浓度下降，产生浓度差，形成氢化物。而氢化物的形成，使锆合金体积膨胀，氢化物片两侧的晶体结构发生畸变，产生畸变能，阻碍氢化物的生长。因此，氢化物具有一定尺寸。当渗氢温度较低时，不利于氢原子的扩散，并且氢化物含量较少，因此氢化物呈颗粒状(图1(a))，氢含量较小。氢在析出时，会沿温度梯度向温度低的方向进行扩散[5]。但当吸氢量过大，氢化物聚集于试样内，并形成重叠生长情况[6]。余量氢或继续扩散进来的氢则在另外的晶界上进行氢化物的形核及长大。因此，在一定渗氢温度下，随着渗氢时间的延长，越来越多晶界被氢化物占据，因此形成网络状的氢化物。由于采用的氢源为混合气体氢含量仅为2.5%，其余为为惰性气体Ar：97.5%，因此当气流量增加时，N36锆合金管材的吸氢量增多。

四、结论

(1)随着保温温度的增加，N36锆合金管材的吸氢量增加，氢化物形貌由颗粒状变为细条状；

(2)在保温时间400℃、流量50L/h时，随着渗氢时间的延长，N36锆合金管材的吸氢量增加；

(3)采用混合气体氢源时，气流量对N36锆合金管材的吸氢量有显著的影响。

[1]刘建章.核结构材料[M].北京：化学工业出版社,2007,168-172.

[2]彭倩,沈保罗.锆合金的织构及其对性能的影响[J].稀有金属,2005,29(6):903-908.

[3]J.J.Kearns.Terminal solubility and partitioning of hydrogen in alpha phase of zirconium,zircaloy-2 and zircaloy-4[J].Journal of nuclear material.1967,22:292-303.

[4]史丽生.锆及锆合金的吸氢[C].中国核学会.贵阳：2011.10.

[5]周邦新，蒋有荣.Zr-4板中氢化物应力再取向的研究[J].核动力工程，1993，14(4)：365-371.

[6]周军，李中奎，王文生等.新锆合金板材在 LiOH 溶液中的吸氢行为研究[J].热加工工艺.2007,36(6):7-9.

Research on Gas Hydrogenation Test of N36 Zirconium Alloy Tube

XIE Meng1LEI Yu1Xu Chunrong2Hui Bo Ning1

(1.Western Energy Material Technologies Co.,Ltd,Xi’an,710299,China) (2.Reactor Fuel and Material Key Laboratory,Nuclear Power Institute of China,Chengdu 610041,China)

N36 zirconium alloy tubes were charged with hydrogen using gas phase hydrogen permeation device.After hydrogenation test,the metallographic microscope and hydrogen content of these tubes were analyzed.The effects of hydrogen permeation temperature,holding time and air flow rate on the hydrogen content and hydrides in N36 zircaloy tubes were studied.The results show that the hydrogen content increased and the hydrides morphology changed from granular to long strip when the hydrogen permeation temperature increased from 350 ℃ to 400 ℃.When the holding time increased from 1h to 6h,the hydrogen content increased to 470ppm and hydrides were circumferential distribution.

N36 zirconium alloy;Hydrides;Hydrogenation

谢梦(1989-)，女，四川仪陇人，助理工程师，主要从事锆合金加工工艺及性能研究。