本發(fā)明涉及機械加工技術領域，特別是涉及一種鋯合金元件盒的制備方法。

背景技術：

鋯合金元件盒，簡稱“鋯盒”或“元件盒”，是低溫燃料堆和沸水堆中的主要部件。鋯盒可以保護燃料棒束，并構(gòu)成燃料組件冷卻劑通道；并且在堆芯布置上，每4盒燃料組件間的寬水隙組成1根控制棒的通道。為了保證燃料組件順利地插入鋯盒以及控制棒在反應堆全壽期內(nèi)的各種情況下能夠自如地上下運動，確保反應堆的安全性，鋯盒的表面質(zhì)量、尺寸精度都需要嚴格的要求。

國際上鋯盒的制備方法主要有兩種，如圖5左所示，一種方法包括板料-圓管坯-焊接-探傷-冷軋-滾拔-熱處理幾個步驟，如圖5右所示，另一種方法包括板料-冷彎-焊接-焊縫處理-熱處理幾個步驟。針對清華大學低溫堆燃料組件鋯盒的制備，我國科研人員也進行了大量的研制工作。專利ZL 89107625.5中利用芯頭采用滾模拉伸工藝將預壓成方形的板材卷焊的圓管拉伸成方管，原理同圖5左；專利CN101905405 B中，采用了冷彎-焊接的成型方法，原理同圖5右。

鋯盒的制造過程中，最為關鍵的步驟是最后的熱處理，即矯形熱處理，而該矯形熱處理工序又是上述兩種方法的共有工序，所以控制矯形熱處理工序?qū)Τ善蜂喓械木戎陵P重要。目前的矯形熱處理方法制造出的鋯盒的精度，特別是鋯盒的形位公差以及4個圓角尺寸不能很好的滿足設計要求，亟需提出新的熱處理工藝。

技術實現(xiàn)要素：

基于此，有必要提供一種鋯盒的制備方法，解決目前鋯盒精度不高，形位公差以及4個圓角尺寸不能很好滿足設計要求的問題。

一種鋯合金元件盒的制備方法，包括以下步驟：提供鋯方管，所述鋯方管內(nèi)具有待矯形位置，所述待矯形位置具有初始尺寸以及目標尺寸；根據(jù)所述初始尺寸及所述目標尺寸，確定總形變量；確定矯形熱處理次數(shù)，所述矯形熱處理次數(shù)至少2次；根據(jù)所述總形變量及所述矯形熱處理次數(shù)，確定所述鋯方管每次矯形熱處理的單次形變量；根據(jù)所述初始尺寸及所述單次形變量，為每次矯形熱處理提供一種尺寸的模具，所述模具材料的熱膨脹系數(shù)大于相同條件下所述鋯方管材料的熱膨脹系數(shù)；以及按照所述模具的尺寸由小到大的順序，在每次矯形熱處理時使用對應尺寸的所述模具，將所述模具裝入所述鋯方管內(nèi)部，進行所述至少2次矯形熱處理。

在其中一個實施例中，所述矯形熱處理次數(shù)為2次至5次。

在其中一個實施例中，所述在每次矯形熱處理時使用的所述模具的尺寸等于所述鋯方管內(nèi)表面在本次矯形熱處理之前的尺寸。

在其中一個實施例中，由小到大相鄰兩個所述模具的尺寸差值等于所述單次形變量。

在其中一個實施例中，所述矯形熱處理的溫度相同或依次降低。

在其中一個實施例中，所述單次形變量相等、依次增大或依次減小。

在其中一個實施例中，所述模具為圓角中空四方管，或者所述模具包括缺角的四方芯棒及與所述缺角的四方芯棒配套的位于缺角的四個圓柱。

在其中一個實施例中，所述提供鋯方管的步驟進一步包括：鋯板下料；卷焊成圓管；焊縫處理；預壓或軋制成方形。

在其中一個實施例中，所述提供鋯方管的步驟進一步包括：鋯板下料；取兩張鋯板分別折彎成方槽；將兩個方槽對接，焊接接縫。

在其中一個實施例中，所述模具材料為奧氏體不銹鋼。

在其中一個實施例中，所述模具與所述鋯方管等長。

本發(fā)明中鋯盒的制備方法，使用至少兩個模具進行至少2次的矯形熱處理，將一個比較大的總形變量拆分成相對較小的多個單次形變量的總和。矯形熱處理時，形變過程變得相對緩慢，受力更均勻穩(wěn)定，使鋯盒的尺寸公差和形位公差具有更高精度，制造出來的鋯盒尺寸穩(wěn)定性好，能夠更好的滿足設計要求，確保核工業(yè)生產(chǎn)的安全性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例的鋯盒的制備方法流程圖；

圖2為本發(fā)明實施例的鋯盒的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例中利用模具缺角的四方芯棒及與缺角的四方芯棒配套的位于缺角的四個圓柱的矯形熱處理示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例中利用模具圓角中空四方管的矯形熱處理示意圖；

圖5為鋯盒的兩種制造方法的流程示意圖。

其中，

鋯方管-10；

缺角的四方芯棒-22；

圓柱-24；

圓角中空四方管-30；

鋯盒-40。

具體實施方式

下面參考附圖并結(jié)合具體實施方式對本發(fā)明進行詳細說明。

請參閱圖1至圖3，本發(fā)明提供一種鋯合金元件盒(以下簡稱“鋯盒”)的制備方法，包括：

S10，提供鋯方管10，鋯方管10內(nèi)具有待矯形位置，待矯形位置具有初始尺寸以及目標尺寸；

S20，根據(jù)初始尺寸及目標尺寸，確定總形變量；

S30，確定矯形熱處理次數(shù)，矯形熱處理次數(shù)至少2次；

S40，根據(jù)總形變量及矯形熱處理次數(shù)，確定鋯方管10每次矯形熱處理的單次形變量；

S50，根據(jù)初始尺寸及單次形變量，為每次矯形熱處理提供一種尺寸的模具，模具材料的熱膨脹系數(shù)大于相同條件下鋯方管10材料的熱膨脹系數(shù)；以及

S60，按照模具的尺寸由小到大的順序，在每次矯形熱處理時使用對應尺寸的模具，將模具裝入鋯方管10內(nèi)部，進行至少2次矯形熱處理。

通過使用至少兩個模具進行至少兩次的矯形熱處理，對鋯方管10進行少量多次的矯形熱處理，將一個比較大的總形變量拆分成相對較小的多個單次形變量的總和。矯形熱處理時，形變過程變得相對緩慢，受力更均勻穩(wěn)定，使成品的鋯盒40的尺寸公差和形位公差具有更高精度，制造出來的鋯盒40尺寸穩(wěn)定性好，能夠更好的滿足設計要求，確保核工業(yè)生產(chǎn)的安全性。

在所述步驟S10中，提供的鋯方管10可以是根據(jù)實際需要直接購買已有的鋯方管10，也可以是通過一制備方法制備得到。

在其中一個實施例中，步驟S10包括：

S11，鋯板下料，鋯板具有預定的厚度、粗糙度及機械性能；

S12，將鋯板卷焊成圓管；

S13，對卷焊的焊縫進行平滑處理；

S14，對圓管進行涂層和潤滑；

S15，將圓管預壓成方形管；

S16，將方形管進行拉伸，得到鋯方管10。

在其中一個實施例中，步驟S10包括：

S11，鋯板下料，鋯板具有預定的厚度、粗糙度及機械性能；

S12，將鋯板卷焊成鋯圓管；

S13，將鋯圓管直接軋制成方行管，得到鋯方管10。

在其中一個實施例中，步驟S10包括：

S11，鋯板下料，鋯板具有預定的厚度、粗糙度及機械性能；

S12，取兩張鋯板分別折彎成方槽；

S13，將兩個方槽對接，焊接接縫，得到鋯方管10。

在步驟S10中，待矯形位置可以包括鋯方管10中4個圓角中的一個或多個，也可以包括鋯方管10的側(cè)壁。初始尺寸，包括鋯方管10中圓角的半徑以及鋯方管10的截方尺寸中的一個或多個。目標尺寸，等于成品鋯盒40的尺寸，包括鋯盒40中圓角的半徑及鋯盒40的截方尺寸中的一個或多個。

在步驟S20中，總形變量是目標尺寸與初始尺寸之間的差值。

在步驟S30中，矯形熱處理次數(shù)優(yōu)選為2次至5次，更優(yōu)選為2次至3次。

在步驟S40中，每次矯形熱處理的單次形變量可以相同也可以不同，可以是逐漸增大，逐漸減小，維持不變，或者先增大后減小，或者先減小后增大，又或者增大、減小及維持不變交替進行。各個單次形變量相加的總和等于總形變量。優(yōu)選的，矯形熱處理的溫度依次降低，對應的單次形變量維持不變或者依次降低。更優(yōu)選的，隨矯形熱處理的溫度依次降低，單次形變量依次減小。在少量多次矯形熱處理的基礎上，先通過較大的單次形變量使鋯方管10待矯形位置以較快的速度接近目標尺寸，然后到達目標尺寸附近時，將單次形變量減小，以更精確的尺寸使鋯方管10待矯形位置的尺寸逐漸向目標尺寸靠近。當前期采用較大的單次形變量時可以適當減少矯形熱處理的次數(shù)，節(jié)省時間，節(jié)約生產(chǎn)成本，同時后期較小的單次形變量，可以更加精確的控制鋯方管10的形變，最終使所生產(chǎn)出來的成品鋯盒40的精度更高，滿足生產(chǎn)需求。

模具材料的熱膨脹系數(shù)大于相同條件下鋯方管10材料的熱膨脹系數(shù)。熱膨脹量等于熱處理溫度、該熱處理溫度下材料的熱膨脹系數(shù)及本次熱處理前熱處理對象的尺寸三者之間的乘積。矯形熱處理過程中模具位于鋯方管10內(nèi)部，所以鋯方管10會受到模具的膨脹作用力造成不可逆形變，熱處理結(jié)束冷卻之后，模具可以恢復到初始尺寸，而鋯方管10相對于熱處理前尺寸則有所增大，從而得到一單次形變量，該單次形變量等于熱處理溫度、該熱處理溫度下模具材料與鋯方管10材料的熱膨脹系數(shù)之差及本次熱處理前鋯方管10的尺寸三者之間的乘積。

在步驟S50中，在每次矯形熱處理時使用的模具的尺寸約等于鋯方管10內(nèi)表面在本次矯形熱處理之前的尺寸，模具與鋯方管10等長。第一次矯形熱處理時提供的模具1的尺寸約等于提供的鋯方管10的內(nèi)表面的初始尺寸。第二次矯形熱處理時使用的模具2的尺寸約等于模具1的尺寸與第一次矯形熱處理時鋯方管10的單次形變量之和。之后所使用的模具的尺寸計算方法以此類推。精確計算模具的尺寸及精度要求，加工矯形模具。模具的尺寸精度和表面光潔度不低于成品鋯盒40。每次矯形熱處理后，將本次使用的模具從鋯方管10內(nèi)取出，取出的模具在下次生產(chǎn)中可以重復使用。

請參閱圖3，在步驟S50中，每次矯形熱處理提供的模具為缺角的四方芯棒22及與缺角的四方芯棒22配套的位于缺角的四個圓柱24。模具材料為相同條件下熱膨脹系數(shù)大于鋯方管10材料的非核禁用材料，優(yōu)選為奧氏體不銹鋼。缺角的四方芯棒22及與缺角的四方芯棒22配套的位于缺角的四個圓柱24的材料相同。

請參閱圖4，在步驟S50中，每次矯形熱處理提供的模具為圓角中空四方管30。模具材料為相同條件下熱膨脹系數(shù)大于鋯方管10材料的非核禁用材料，優(yōu)選為奧氏體不銹鋼。與實心模具相比，矯形熱處理的過程中，中空四方管30因為內(nèi)部的中空結(jié)構(gòu)，整個模具升溫速度更快，受熱更均勻，形變過程更緩和，容易控制，有利于成品鋯盒40的尺寸公差和形位公差精度的提高。

在步驟S60中，矯形熱處理涉及不同類型的工藝參數(shù)，包括熱處理溫度，保溫時間，升溫及降溫制度等。每次的矯形熱處理是相互獨立的，工藝可以相同也可以不同，可根據(jù)本次矯形熱處理的單次形變量、模具材料與鋯方管10材料的熱膨脹系數(shù)之差及本次熱處理前鋯方管10的尺寸加以確定。矯形熱處理的溫度相同或依次降低，優(yōu)選為為400℃至600℃；保溫時間優(yōu)選為1h至5h；溫度上升速度優(yōu)選為勻速上升，每分鐘上升約10℃至20℃；降溫制度優(yōu)選為自然冷卻，經(jīng)過至少兩次矯形熱處理，得到高精度的鋯方管10。由小到大相鄰兩個模具的尺寸差值等于單次形變量。

進一步包括后續(xù)處理步驟S70：

S71，按照要生產(chǎn)的成品鋯盒40的要求截取一定長度的鋯方管10；

S72，對鋯方管10進行表面處理和酸洗；

S73，去離子水沖洗；

S74，用無油干燥壓縮空氣吹干，得到本發(fā)明的高精度鋯盒40。

實施例1

制備長度為1600mm，截方尺寸為100×100mm，壁厚2mm，圓角半徑r為6mm的高精度鋯盒40。具體包括以下步驟：

S10，提供鋯方管10，包括：

S11，選取厚度δ為2.2～2.3mm，粗糙度Ra≤3.2μm的鋯板，鋯板的機械性能滿足表1的技術要求，精確裁切為長1800mm，寬400.5±0.05mm的鋯板，要求鋯板的四邊平整，相鄰邊的垂直度偏差＜0.3mm，相對邊的平行度＜0.3mm；

S12，鋯板卷焊成圓管，要求控制焊縫的氣孔、夾雜，不允許存在不熔合區(qū)，表面不能氧化，焊縫要平整；

S13，對焊縫進行處理，打磨高出的焊瘤并清洗；

S14，對干燥后的鋯圓管內(nèi)外表面進行涂層和潤滑；

S15，將鋯圓管進行兩個方向的預壓，形成方形輪廓，使焊縫處于某一面的中部；

S16，過渡拉伸及成品管拉伸，采用不同的長短芯頭，分道次將具有方形輪廓的鋯管拉伸成方管，得到鋯方管10。

S20，總形變量為需要制備的鋯盒40的尺寸與步驟S100提供的鋯方管10的待矯形位置的初始尺寸的差值。

S30，采用2次矯形熱處理。

S40，根據(jù)總形變量及矯形熱處理的次數(shù)，分別確定兩次矯形熱處理的單次形變量，2個單次形變量之和等于本次矯形熱處理的總形變量。

S50，提供2套模具，模具的類型為缺角的四方芯棒22及與缺角的四方芯棒22配套的位于缺角的四個圓柱24，材料為1Cr18Ni9Ti。分別計算出兩套模具的尺寸及精度要求，加工模具，并按照模具尺寸由小到大的順序，編號為模具1和模具2。

S60，對鋯方管10進行矯形熱處理，包括：

S61，在鋯方管10內(nèi)塞入模具1，600℃，真空度1.3×10^-3Pa，保溫2.5h。自然冷卻后將缺角的四方芯棒22及與缺角的四方芯棒22配套的位于缺角的四個圓柱24和鋯方管10取出；

S62，在經(jīng)過1次矯形熱處理的鋯方管10內(nèi)塞入模具2，600℃，真空度1.3×10^-3Pa，保溫2.5h。自然冷卻后將缺角的四方芯棒22及與缺角的四方芯棒22配套的位于缺角的四個圓柱24和鋯方管10取出。

S70，后續(xù)處理包括：

S71，按照要生產(chǎn)的成品鋯盒40的要求截取一定長度的鋯方管10；

S72，對鋯方管10進行表面處理和酸洗；

S73，去離子水沖洗；

S74，用無油干燥壓縮空氣吹干，得到本發(fā)明的高精度方形鋯盒40。

實施例2

制備長度為2100mm，截方尺寸為150×150mm，壁厚1.5mm，圓角半徑r為6.5mm的高精度方形鋯盒40。具體包括以下步驟：

S10，提供鋯方管10，包括：

S11，選取厚度δ為1.7～1.8mm，粗糙度Ra≤3.2μm的鋯板，鋯板的機械性能滿足表1的技術要求，精確裁切長2300mm，寬600.5±0.05mm的鋯板，要求鋯板的四邊平整，相鄰邊的垂直度偏差＜0.3mm，相對邊的平行度＜0.3mm；

S12，鋯板卷焊成圓管，要求控制焊縫的氣孔、夾雜，不允許存在不熔合區(qū)，表面不能氧化，焊縫要平整；

S13，對焊縫進行處理，打磨高出的焊瘤并清洗；

S14，將干燥后的鋯圓管使用專用軋機直接軋制成方管。

S20，總形變量為需要制備的鋯盒40的尺寸與步驟S100提供的鋯方管10的待矯形位置的初始尺寸的差值。

S30，采用3次矯形熱處理。

S40，根據(jù)總形變量及矯形熱處理的次數(shù)，分別確定3次矯形熱處理的單次形變量，3個單次形變量之和等于本次矯形熱處理的總形變量。

S50，提供3套模具，模具的類型為圓角中空四方管30，材料為0Cr18Ni10Ti。分別計算出3套模具的尺寸及精度要求，加工模具，并按照模具尺寸由小到大的順序，編號為模具1、模具2及模具3。

S60，對鋯方管10進行矯形熱處理，包括：

S61，在鋯方管10內(nèi)塞入模具1，500℃，真空度1.3×10^-3Pa，保溫時間3h。自然冷卻后將圓角中空四方管30和鋯方管10取出；

S62，在經(jīng)過1次矯形熱處理的鋯方管10內(nèi)塞入模具2，500℃，真空度1.3×10^-3Pa，保溫3h。自然冷卻后將圓角中空四方管30和鋯方管10取出；

S63，在經(jīng)過2次矯形熱處理的鋯方管10內(nèi)塞入模具3，500℃，真空度1.3×10^-3Pa，保溫3h。自然冷卻后將圓角中空四方管30和鋯方管10取出。

之后的操作同實施例1。

實施例3

制備長度為2600mm，截方尺寸為180×180mm，壁厚2.0+0.10mm，圓角半徑r為6.5mm的高精度方形鋯盒40。具體包括以下步驟：

S10，提供鋯方管10，包括：

S11，選取厚度δ為2.2～2.3mm，粗糙度Ra≤3.2μm的鋯板，鋯板的機械性能滿足表1的技術要求，精確裁切長3000mm，寬為361.5±0.05mm的兩塊鋯板，要求鋯板的四邊平整，相鄰邊的垂直度偏差＜0.3mm，相對邊的平行度＜0.3mm；

S12，取步驟S101精銑后的兩張鋯板，采用數(shù)控折彎機，將兩張鋯板分別折彎成π型方鋯槽狀，其中定位模具下模的精度為±0.01mm，折彎沖頭上模的圓角半徑為6.5mm，與成品鋯盒40的內(nèi)圓角半徑相等，上下模間的間隙控制在2.0～3.0mm之間；

S13，將S102制得的兩個π字鋯方槽用焊接模具對接，采用真空電子束或其它焊接方式進行焊接；

S14，對焊縫進行處理，打磨高出的焊瘤并清洗。

S20，總形變量為需要制備的鋯盒40的尺寸與S100提供的鋯方管10的待矯形位置的初始尺寸的差值。

S30，采用3次矯形熱處理。

S40，根據(jù)總形變量及矯形熱處理的次數(shù)，分別確定3次矯形熱處理的單次形變量，3個單次形變量之和等于本次矯形熱處理的總形變量。

S50，提供3套模具，模具的類型為圓角中空四方管30，材料為0Cr18Ni10Ti。分別計算出3套模具的尺寸及精度要求，加工模具，并按照模具尺寸由小到大的順序，編號為模具1、模具2及模具3。

S60，對鋯方管10進行矯形熱處理，包括：

S61，在鋯方管10內(nèi)塞入模具1，550℃，真空度1.3×10^-3Pa，保溫3h?？諝庵欣鋮s后將圓角中空四方管30和鋯方管10取出；

S62，在經(jīng)過1次矯形熱處理的鋯方管10內(nèi)塞入模具2，550℃，真空度1.3×10^-3Pa，保溫3h。自然冷卻后將圓角中空四方管30和鋯方管10取出；

S63，在經(jīng)過2次矯形熱處理的鋯方管10內(nèi)塞入模具3，550℃，真空度1.3×10^-3Pa，保溫3h。自然冷卻后將圓角中空四方管30和鋯方管10取出。

之后的操作同實施例1。

表1鋯合金板機械性能

以上所述實施例僅表達了本發(fā)明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。因此，本發(fā)明專利的保護范圍應以所附權(quán)利要求為準。