锆合金因具有优异的耐腐蚀性能、适中的力学性能及良好的加工性能，被广泛应用于核动力水冷反应堆的核燃料包壳管和结构材料，涵盖压力管、容器管、孔道管、导向管、定位格架、端塞及其他结构件等，已成为核电站的重要应用材料。影响锆合金管材显微组织、耐腐蚀性能、力学性能的因素众多，退火作为冶金和加工过程中的内在因素，其影响尤为关键。在锆合金管材的每一道轧制工序后，均需通过退火处理恢复金属塑性、实现材料软化，以获得持续加工能力；同时，成品管材在投入使用前，均需经过成品退火处理，以获得最终的显微组织、力学性能和耐腐蚀性能，从而保障核电站的安全性与可靠性。此外，锆合金管材对气体元素含量有着严格的控制要求，因此其退火过程须在真空环境下进行。

在使用真空退火炉对管材进行退火时，一方面不同型号退火炉的温度控制精度存在差异，另一方面锆合金管材退火过程中传热缓慢，这两个因素导致工业化生产中难以保证所有管材同步达到目标温度。因此，对不同类型的锆合金管材进行批量化成品退火前，需选用特定型号的退火炉开展退火实验，以确保退火后最终产品的各项性能满足核用技术要求且质量稳定。鉴于此，本文以外径38 mm的Zr-4合金管材为研究对象，开展真空退火实验，在退火炉膛不同区域布置控温热电偶（以下简称控温偶），实时记录退火过程中各区域的温度变化；退火完成后，对管材试样进行气体元素检测，并进行金相组织、力学性能、耐腐蚀性能检测与对比分析，以确定所选设备、工艺及过程控制的可靠性，为同类型锆合金管材的退火设备选型、工艺制定及过程控制提供参考依据。

实验所用Zr-4合金管材规格为外径φ38 mm×5.0 mm×4000 mm，该管材由海绵锆及添加原料经真空自耗电弧熔炼、锻造、β相均匀淬火、热挤压、中间道次冷轧与退火、成品轧制、内外表面处理等工艺制成，具体化学成分见表1。

表1  Zr-4合金化学成分（质量分数） %

2.1   实验方法

本实验在型号为ZRT-300-9W4的工业级内热卧式真空退火炉内进行，该退火炉由兰州真空设备有限责任公司生产，包括炉体、真空系统、强冷系统、加热电源系统、电气控制系统、冷却水系统、工件台架等。炉膛尺寸（长×宽×高）为5000 mm×500 mm×500 mm，总功率约为420 kW，工作温度为500~850 °C，空炉冷态极限真空度≤5×10⁻⁴ Pa，空炉热态工作真空度为≤2.67×10⁻³ Pa。炉体内置加热带沿炉膛360°全覆盖，且左、右炉门增设补偿加热体，确保各区域加热功率均衡，进而保证炉温的均匀性。退火炉内设置3层式料架及K型I级精度控温偶，控温偶布置于炉腔顶部，沿炉体长度方向均匀分布于4个区域，见图1。为确保实验结果能真实反映批量化退火过程，本次实验采用插样法，将3支成品退火实验管材分别布置于退火料架的上、中、下3层，并选用同牌号、同规格残料配重，确保每层装载量达到约200 kg，总装载量约为600 kg；所有退火管材均与4支控温偶对应区域居中对齐，退火过程严格执行拟定退火制度（退火温度（580±8）°C、保温时间180 min），并以每次0.5 h的频次实时记录各控温偶的温度数据。

图1  退火炉料架结构及控温偶分布示意

2.2   实验过程

实验流程如下：待退火料和配重料全部装载完毕后开始抽真空，炉膛真空度达到5.0×10⁻³ Pa进行升温操作；当最后一支控温偶达到578 °C后，进入保温阶段并保持180 min；保温结束后启动降温程序，当所有控温偶监测温度≤230 °C时，通入氩气进行冷却；待所有控温偶监测温度≤100 °C时，放气并出炉。整个退火过程不同区域的实时温度变化情况见表2，其中T₀为起始时间。

表2  退火过程温度变化情况

结果表明，在整个退火过程中，不同区域的4个控温偶时间–温度曲线整体趋势一致；仅在加热初期及降温过程中存在较明显的温度差异，其余时间段各区域温度基本一致。其中，加热初期即低温加热阶段，位于最左端靠近左炉门的1号控温偶监测温度明显低于其他3支（最大温差11 °C），这与炉门附近加热体相对较少、热传递较慢有关；加热1 h后，炉膛各区域温度趋于均匀。降温初期的降温速率最快（约3.0 °C/min），这样可以有效控制管材的微观结构与性能。随着时间的延长，降温速率逐渐减缓，且位于左右炉门处的1号和4号控温偶监测温度下降速度明显快于中间区域的2号和3号控温偶（最大温差37 °C），即边部散热速率快于芯部，这与锆合金管材退火过程中管材间传热缓慢有关。

2.3   取样方案与检测方法

本次退火实验完成后，选取典型位置取样，并进行气体元素、金相组织、耐腐蚀性能及力学性能检测，取样方案与检测方法见表3。样品编号如下：上层左端S-1，上层中间S-2，上层右端S-3，中层左端Z-1，中层中间Z-2，中层右端Z-3，下层左端X-1，下层中间X-2，下层右端X-3。

表3  取样方案与检测方法

3.1   气体元素分析

气体元素O、N、H的检测结果见表4。O元素的质量分数控制在0.142%~0.149%，满足核用技术要求（O质量分数为0.09%~0.16%），且不同位置的O元素检测数据高度统一，极差值（最大值与最小值之差）仅为0.007%，说明O元素分布均匀性良好。O作为间隙固溶元素，其扩散速率直接受退火温度影响，可见不同位置的退火温度一致性符合O元素的控制要求。在不同位置处，杂质元素N的质量分数＜0.0020%，杂质元素H的质量分数≤0.0006%，均完全满足核用技术要求（N质量分数≤0.0080%，H质量分数≤0.0025%），可见所选退火炉真空度环境可靠，具备生产气体元素指标完全满足核用技术要求的锆合金管材的能力。

表4  气体元素检测结果（质量分数） %

3.2   金相组织分析

管材纵截面金相组织见图2，晶粒度检测结果见表5。所有试样均呈现再结晶组织，且晶粒细小、弥散分布，晶粒度等级为11级，满足核用技术要求（≥7级），同时表现出优异的性能一致性。可见不同退火位置管材低温加热阶段温差控制在11 °C以内、开始降温阶段以约3 °C/min的速率快速降温、低温降温阶段温差控制在37 °C以内，对组织结构无明显影响。进一步分析可知，出现上述现象的原因如下：低温加热及低温降温阶段的温度远低于再结晶温度，难以影响组织；开始降温阶段的快速降温，避免了管材在再结晶温度区间长时间停留，从而有效控制了管材的微观结构。

图2  退火后管材不同试样典型金相图：(a) S-1；(b) S-2；(c) S-3；(d) Z-1；(e) Z-2；(f) Z-3；(g) X-1；(h) X-2；(i) X-3

表5  晶粒度检测结果

3.3   耐腐蚀性能分析

管材均匀腐蚀实验结果显示，所有试样腐蚀后的外观均呈黑光亮状态（典型位置样品130 d腐蚀后的外观照片见图3），满足核用锆合金管材“黑光亮”的外观要求。所有试样的腐蚀增重曲线趋势一致（见图4），均呈现两个不同的腐蚀阶段，即转折前腐蚀与转折后腐蚀。在转折前腐蚀阶段，管材表面存在起保护作用的致密氧化膜，此时腐蚀增重曲线遵循抛物线规律，腐蚀增重速率较低；随后，Zr向ZrO₂转变，该过程中ZrO₂以亚稳态四方氧化锆和立方氧化锆的形式存在，导致体积膨胀，进而使氧化膜内应力增加；应力的集聚和累积最终引发氧化膜破裂，当裂纹产生时，腐蚀过程出现转折；在转折后腐蚀阶段，腐蚀增重曲线几乎遵循线性规律，腐蚀增重速率相对较大，氧化膜结构疏松，亚稳态氧化锆向单斜氧化锆转变，这与绝大多数锆合金的腐蚀规律一致。9个试样在不同腐蚀周期的腐蚀增重值及增重极差值见表6。其中，常规3和14 d的质量增加分别为13.63~14.49、23.57~24.73 mg/dm²，均满足核用技术要求（3 d质量增加≤22 mg/dm²，14 d质量增加≤38 mg/dm²）。随着腐蚀时间延长，所有试样的腐蚀增重极差值具有逐渐增大的趋势，在腐蚀“转折点”（72 d）时，由于管材内部结构处于波动、非稳态状态，不同试样的瞬时腐蚀增重差异显著，质量增加极差值达到最大值2.39 mg/dm²；之后随着腐蚀时间继续延长，管材内部结构趋于稳态，腐蚀增重差异逐渐缩小，增重极差值随之减小。可见不同退火位置的管材在短期与长期耐腐蚀性能上均具有良好的一致性，即不同退火位置在低温加热阶段与低温降温阶段的温差以及开始降温阶段的快速降温速率，对管材耐腐蚀性能无明显影响，这进一步证明不同退火位置管材的显微组织具有较好的一致性。

图3  130 d均匀腐蚀后试样外观形貌：(a) S-1；(b) Z-2；(c) X-3

图4  不同试样均匀腐蚀增重曲线

表6  均匀腐蚀实验结果 mg/dm²

管材横截面壁厚中心位置的洛氏硬度检测结果见图5。所有样品的洛氏硬度最大值控制在HRBW84.6~86.0，平均值控制在HRBW 84.07~85.90，均满足核用技术要求（平均值≤HRBW 90，最大值≤HRBW 91），其中编号为S-1、S-3和X-1的3个样品检测结果相对偏小。深入分析后发现，这3个样品在退火过程中分别位于上料架靠近左炉门处、上料架靠近右炉门处、下料架靠近左炉门处；退火低温加热阶段，左炉门处1号控温偶监测温度偏低；低温降温阶段，左右炉门处1号、4号控温偶监测温度下降速度较快。可见退火过程中低温加热阶段慢速升温、低温降温阶段快速降温，有利于获取硬度性能优良的锆合金管材，即不同退火位置在低温加热阶段与低温降温阶段的温差对管材硬度性能无不利影响。此外，由于硬度值由起始塑性变形抗力和继续塑性变形抗力共同决定，因此通过检测不同退火位置管材的硬度值可得知，该批管材具有良好且均匀的强度及塑性变形抗力水平。

图5  硬度检测结果

（1）选用型号为ZRT-300-9W4的工业级内热卧式真空退火炉，按照退火温度（580±8）°C、保温时间180 min的成品退火制度，可批量化生产出满足核用技术要求且性能一致性良好的外径38 mm的Zr-4管材。

（2）真空退火过程中，不同退火位置的管材低温加热阶段温差控制在11 °C以内、开始降温阶段以约3 °C/min的速度快速降温、低温降温阶段温差控制在37 °C以内，对批量化锆合金管材组织结构、耐腐蚀性能、力学性能的一致性影响较小。

（3）本次研究表明，在工业化生产过程中，锆合金管材产品退火设备可选用型号为ZRT-300-9W4的工业级内热卧式真空退火炉，其炉膛内上、中、下，头、中、尾不同位置管材经退火后，性能一致性良好，可为同类型产品大规模退火生产提供参考依据。