鋯合金交叉結(jié)構(gòu)脈沖激光點(diǎn)焊特性及焊點(diǎn)氧化膜生長(zhǎng)機(jī)制.pdf

1、鋯合金格架是核反應(yīng)堆芯中的重要組件，其制備技術(shù)及服役過程中耐腐蝕性是實(shí)現(xiàn)高燃耗的關(guān)鍵因素。鋯合金化學(xué)性質(zhì)活潑，焊接過程中對(duì)氣氛中水氧非常敏感，因此格架焊接需在充氬艙中進(jìn)行，但是多焊點(diǎn)連續(xù)焊接過程中艙室內(nèi)熱量和煙塵排出是保證焊點(diǎn)質(zhì)量的首要問題。此外，為避免磨損燃料棒及降低冷卻介質(zhì)的壓降差，需嚴(yán)格控制格架中交叉焊點(diǎn)的尺寸。更為關(guān)鍵的是，激光焊接后焊點(diǎn)的組織與鋯合金母材相比差異較大，焊點(diǎn)的耐腐蝕性成為制約格架服役性能的關(guān)鍵因素。
　　本

2、文針對(duì)鋯合金格架結(jié)構(gòu)，開展鋯合金交叉焊點(diǎn)多脈沖激光點(diǎn)焊工藝及焊點(diǎn)氧化膜生長(zhǎng)機(jī)制研究，基于數(shù)值模擬技術(shù)優(yōu)化充氬艙內(nèi)保護(hù)氬氣的流動(dòng)行為，保證焊接氣氛達(dá)標(biāo)；提出多脈沖激光點(diǎn)焊的方法嚴(yán)格控制焊點(diǎn)尺寸，確定控制交叉焊點(diǎn)尺寸的關(guān)鍵激光工藝參數(shù)及優(yōu)化的工藝區(qū)間；分析激光作用下快速凝固條件對(duì)鋯合金材料微觀組織的影響；開展鋯合金焊點(diǎn)高溫高壓蒸汽環(huán)境下腐蝕后氧化膜特性研究，分析焊點(diǎn)耐腐性較母材降低的原因，揭示激光焊點(diǎn)表面氧化膜的生長(zhǎng)機(jī)制，并提出可改善其耐腐

3、蝕性的措施。
　　提出采用科恩達(dá)空氣刀調(diào)節(jié)艙室內(nèi)氣流行為，設(shè)計(jì)固定和可旋轉(zhuǎn)兩把空氣刀結(jié)構(gòu)提升艙室換氣量，使一部分射流氣附著于工件表面上流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)焊接過程中工件表面的可靠保護(hù)和快速冷卻。設(shè)計(jì)主排氣口與輔助排氣口相配合的結(jié)構(gòu)在焊前快速降低艙室中的水氧含量，加速焊接過程中艙室的換氣與散熱。當(dāng)可旋轉(zhuǎn)Coanda空氣刀角度為30-45°，進(jìn)氣流量為60-120 L/min時(shí)，獲得了最優(yōu)的氣體流動(dòng)形態(tài)。
　　為實(shí)現(xiàn)格架焊點(diǎn)尺寸的精確控制

4、，提出了多脈沖激光點(diǎn)焊的方法，確定了控制交叉焊點(diǎn)尺寸的關(guān)鍵激光工藝參數(shù)及優(yōu)化的工藝區(qū)間。為獲得熔寬及余高滿足要求的焊點(diǎn)，需采用適當(dāng)較大的脈沖峰值功率和脈沖個(gè)數(shù)，以及較小的脈沖寬度。得到了優(yōu)化的工藝參數(shù)：脈沖激光的單脈沖能量約為22-27 J，脈沖寬度約為6-9 ms，脈沖個(gè)數(shù)為4-7個(gè)。激光作用于鋯合金后，焊點(diǎn)晶粒尺寸增大，原母材中第二相粒子β-Nb和Zr(Nb,Fe)2消失。焊點(diǎn)經(jīng)過退火處理后，晶粒取向一致性增加，在柱狀晶內(nèi)和晶間析出

5、第二相粒子β-Nb和Zr(Nb,Fe)2，原焊點(diǎn)組織中殘留的β-Zr相發(fā)生分解，轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Zr相和β-Nb相。
　　進(jìn)一步，揭示了鋯合金激光焊點(diǎn)氧化膜生長(zhǎng)機(jī)制，發(fā)現(xiàn)氧化膜組織相轉(zhuǎn)變和第二相粒子是影響氧化膜生長(zhǎng)的主要原因。焊點(diǎn)表面氧化膜/基體金屬界面起伏度較小，界面處的應(yīng)力降低，促進(jìn)了界面及氧化膜內(nèi)四方ZrO2相向單斜相ZrO2相轉(zhuǎn)變，加速了腐蝕介質(zhì)中氧向基體金屬的擴(kuò)散速率，使氧化膜的生長(zhǎng)速率加快；另外激光作用后，原母材中耐腐蝕性能