Material Sciences
Vol.05 No.06(2015), Article ID:16428,7
pages
10.12677/MS.2015.56032
Manufacture Technology of Ti-CS Clad Plate for Nuclear Station
Jun Song, Hui Zhao, Pingcang Li
Xi’an Tianli Metal Composite Material Co. Ltd., Xi’an Shaanxi
Received: Nov. 5th, 2015; accepted: Nov. 24th, 2015; published: Nov. 27th, 2015
Copyright © 2015 by authors and Hans Publishers Inc.
This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).
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ABSTRACT
In this paper, computer simulation was employed to optimize the manufacturing process of the Ti-CS clad plate. Then the clad plate was inspected and tested with OP, SEM and mechanical properties. The test results show that, the clad plate interface is wavy. And no departure, melted block or other defect was inspected in the interface. Shearing test results showed that the bonding strength is more than 200 MPa. It meets the requirements of the specification. Moreover, after bending, the sample also showed good properties.
Keywords:Nuclear Station, Ti-CS Clad Plate, Explosive Bonding
核电用钛钢复合板制备技术研究
宋军，赵惠，李平仓
西安天力金属复合材料有限公司，陕西 西安
收稿日期：2015年11月5日；录用日期：2015年11月24日；发布日期：2015年11月27日
摘 要
本文采用计算机模拟法优化爆炸焊接工艺参数，然后制备出核电用复合板。从金相检验、SEM和力学性能检验结果来看，复合材的界面均匀，呈现爆炸焊接所特有的波状界面，且界面处无分层、熔化等缺陷。剪切试验结果说明复合板结合强度高于200 MPa，弯曲满足核电领域使用要求。
关键词 :核电，钛复合材，爆炸焊接
1. 前言
随着经济的蓬勃发展，能源紧缺越来越突出。核电是和平利用核能的重要形式。自从我国首座自主设计建造的秦山核电站于1991年12月15日实现首次并网发电以来，截至2014年5月，我国大陆已建成并运行19台核电机组和一座实验快堆，装机容量1704万千瓦，在建的核电机组29台，装机容量3188万千瓦。为了实现到2020年国民生产总值在现有基础上再翻两番的宏伟目标，电力发展必须与经济发展相适应。预计到2020年，我国的电力装机容量将增至9亿千瓦以上。随着核电行业的大力发展，核电站的关键设备用料——钛钢复合板，则越来越受到设备制造方的关注[1] -[3] 。本文主要研究高性能核电用钛钢复合板的制备技术，采用该技术制备的复合板剪切强度均在180 MPa以上，远高于常规标准要求。
2. 试验材料与方法
2.1. 试验材料
试验所用复层TA1，基层为SA 516Gr70板材，尺寸分别为5 × 3500 × 4500 mm和30 × 3500 × 4500 mm。材料的化学成分分别如表1，表2所示。
2.2. 试验方法
根据爆炸复合过程的特点，建立炸药、基板和复板的三维立体模型。所用软件为ANSYS--LSDYNA。在建立有限元分析模型时，为减少计算时间，节省计算机资源，实体模型可简化成三层结构，如图1所示，第一层为炸药，第二层为复板，第三层为基板。
计算模型如文献[4] 所述，对爆炸复合过程中复板的运动状态进行模拟分析，采用3Dsolid 164实体单元，有限元软件当中3Dsolid 164实体单元采用八节点六面体单元，在数值模拟过程中，将几何实体进行六面体映射网格划分，通过模拟爆炸复合过程，优化复合工艺。根据爆炸复合过程特点，引入Johnson-Cook Grunsisem Model Behavior部分模型：
第一部分涉及应力
(1)
第二部分则是涉及断裂时的应变
(2)
JWL材料模型主要是用来描述压力与体积应变之间的关系：
(3)
材料机械性能和Johnson-Cook方程的模型参数，如表3所示。所选用炸药为0#炸药，炸药的JWL模型参数，如表4所示。
Table 1. Chemical composition of SA516Gr70
表1. 优质碳素钢SA516Gr70板的化学成分
Table 2. Chemical composition for titanium
表2. 钛板(TA1)的化学成分
Table 3. Mechanical properties and parameters of Johnson-Cook
表3. 钛、钢机械性能和Johnson-Cook方程的模型参数
Table 4. JWL parameters of 0# explosive
表4. 0#炸药JWL的模型参数
Figure 1. The sketch of computer simulation
图1. 简化后数值模拟实体模型
爆炸复合后利用UT法检验复合板结合率，验收标准执行ASME SA
3. 结果与分析
3.1. 计算机模拟
爆炸复合过程为中心起爆，为节约计算时间，本次模拟仅计算四分之一尺寸模型。爆炸焊接工艺中最关键的参数为间隙的高度，本次试验就利用计算机模拟的方法，首先确定复合板的间隙高度。图2~4
Figure 2. Computer simulation results with 8 mm spacer
图2. 间隙高度为8 mm时模拟结果
Figure 3. Computer simulation results with 10 mm spacer
图3. 间隙高度为10 mm时模拟结果
Figure 4. Computer simulation results with 12 mm spacer
图4. 间隙高度为12 mm时模拟结果
本别是间隙高度为8 mm，10 mm和12 mm时的模拟结果。从图中可以看出，间隙高度低于或超过10 mm时，复合后复合板均存在不结合区域。因此本次工艺中间隙高度选取10 mm。
3.2. UT检验
图5为UT检验结果。从图中可以看出，底波高度远远高于界面波高度，这说明复合板结合状态良好。满足ASTM B898中的要求。
3.3. 微观组织检验
图6为复合板界面微观组织形貌，从图中可以看出，复合材界面均匀，无裂纹、分层或金属夹杂等影响结合强度的缺陷，满足标准要求。通常情况下，这样的界面对应的较高的结合强度。图7为SEM的界面的微观组织形貌，从图中可以看出，在高衬度条件下，界面仍然完整，无缺陷。
3.4. 力学性能检验
安装ASTM B898标准的要求对复合板进行剪切、拉伸和弯曲试验，结果如表5所示。从表中可以看出，复合板的剪切强度平均值高于200 MPa，超过验收制备，说明结合强度满足使用要求。而拉伸试验结果表明复合板的强度满足使用要求。另外，弯曲试验结果表明复合板界面无裂纹等缺陷，说明复合板后续加工也能满足使用需求。
Figure 5. Wave picture of the bonding interface
图5. 复合板结合区界面波形图
Figure 6. Microstructure of the bonding interface
图6. 复合板界面微观组织
Figure 7. Microstructure of the bonding interface (SEM)
图7. SEM下界面微观组织形貌
Table 5. Mechanical test result
表5. 力学性能检验结果
4. 结束语
通过上述研究，得出以下结论：
1) 计算机模拟可用来优化工艺参数，用于指导生产实际；
2) 采用模拟优化的工艺参数制备的复合板，UT探伤结果表明各处结合良好；界面均匀无分层等缺陷；力学性能结果表明复合材的结合强度高达200 MPa以上，满足验收指标；
3) 试验结果表明，爆炸焊接法制备的钛钢复合板完全满足核电领域的使用要求。
基金项目
国家高技术研究发展计划(2015AA03A501)。
文章引用
宋 军,赵 惠,李平仓. 核电用钛钢复合板制备技术研究
Manufacture Technology of Ti-CS Clad Plate for Nuclear Station[J]. 材料科学, 2015, 05(06): 235-241. http://dx.doi.org/10.12677/MS.2015.56032
参考文献 (References)
- 1. Yinon, J. (2002) Field Detection and Monitoring of Explosives. TrAC Trends in Analytical Chemistry, 21, 292-301. http://dx.doi.org/10.1016/S0165-9936(02)00408-9
- 2. 郑远谋. 爆炸焊接和金属复合材料及其工程应用[M]. 长沙: 中南大学出版社, 2002: 179-204.
- 3. Keshavarz, M.H. (2009) Prediction of Detonation Performance of CHNO and CHNOAl Explosives through Molecular Structure. Journal of Hazardous Materials, 166, 1296-1301. http://dx.doi.org/10.1016/j.jhazmat.2008.12.040
- 4. 薛治国, 李付国, 吕利强. 大面积钛/钢复合板爆炸焊接过程的数值模拟[J]. 焊接技术, 2007(6): 132-146.