一種核動(dòng)力壓水堆用鋯合金的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于特種合金材料技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種核動(dòng)力壓水堆用錯(cuò)合金材料。
【背景技術(shù)】
[0002] 錯(cuò)合金由于熱中子吸收截面小，同時(shí)在高溫高壓水和蒸汽中有很好的抗腐蝕性 能，在堆內(nèi)有相當(dāng)好的抗中子福照性能，因而被普遍用作核動(dòng)力水冷反應(yīng)堆的包殼材料，也 是目前核電站反應(yīng)堆唯一采用的包殼材料。在輕水反應(yīng)堆的發(fā)展過(guò)程中，燃料設(shè)計(jì)對(duì)反應(yīng) 堆堆忍結(jié)構(gòu)部件，如燃料元件包殼、格架、導(dǎo)向管等，提出了很高的要求。早期，包殼材料通 常由Zr-4合金制成，之后高燃料燃耗的設(shè)計(jì)要求提高冷卻劑溫度和延長(zhǎng)錯(cuò)合金包殼在堆內(nèi) 的停留時(shí)間，從而使得錯(cuò)合金包殼面臨著更為苛刻的腐蝕環(huán)境，運(yùn)些高要求促進(jìn)了改善Zr- 4合金耐腐蝕性能的研究，同時(shí)也推動(dòng)了對(duì)具有更優(yōu)良耐腐蝕性能的新型錯(cuò)合金的開(kāi)發(fā)。
[0003] 隨著核電的進(jìn)一步發(fā)展，在保證核反應(yīng)堆安全性的基礎(chǔ)上，需要提高核反應(yīng)堆的 經(jīng)濟(jì)性、降低核電運(yùn)行成本，因而對(duì)燃料組件提出了長(zhǎng)壽期、高燃耗、零破損的目標(biāo)。運(yùn)意味 著錯(cuò)合金包殼的水側(cè)腐蝕加重、吸氨量增加、福照時(shí)間增長(zhǎng)、忍塊與包殼相互作用增大和內(nèi) 壓升高等，從而對(duì)錯(cuò)合金的使用性能提出了更高的要求。針對(duì)核動(dòng)力技術(shù)發(fā)展對(duì)燃料包殼 提出的高要求，國(guó)際上展開(kāi)了新型錯(cuò)合金的研究，獲得了比Zr-4合金具有更好耐腐蝕性能 的ZI化0、6635、15八54等新型錯(cuò)合金。已有研究表明，現(xiàn)有錯(cuò)合金中成分的配比并不一定在 最優(yōu)范圍內(nèi)，如將ZI化0合金中的Sn含量降低后，其耐腐蝕性能進(jìn)一步提高;在Zr-Nb合金中 添加微量的Cu(0.05wt%)后形成的HANA-6合金也具有非常優(yōu)良的耐腐蝕性能;M5合金在堆 內(nèi)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)了燃料棒或燃料組件彎曲W及抗福照生長(zhǎng)性能差等異常現(xiàn)象，因此法國(guó) 在M5合金成分基礎(chǔ)上添加了少量的Sn及化，在保持合金優(yōu)良耐腐蝕性能基礎(chǔ)上大幅改善了 合金的力學(xué)性能，尤其是蠕變及福照生長(zhǎng)性能。因此，在現(xiàn)有錯(cuò)合金的基礎(chǔ)上優(yōu)化合金成分 配比或者添加其它合金元素還可開(kāi)發(fā)出耐腐蝕性能更加優(yōu)良的錯(cuò)合金，W滿足燃耗不斷提 高的需要。
[0004] 另外，在合金成分確定W后，采用合適的熱加工工藝還可W進(jìn)一步改善合金的耐 腐蝕性能。如在Nb含量較高的錯(cuò)合金中，包括ZI化0、M5及N36等，當(dāng)提高熱加工的溫度后，由 于第二相的粗化和不均勻分布W及合金基體中過(guò)飽和固溶師，會(huì)引起耐腐蝕性能變差，因 而都強(qiáng)調(diào)要采用"低溫加工工藝"，即采用較低熱加工溫度及退火溫度的低溫加工工藝能夠 獲得細(xì)小彌散的第二相組織，從而大幅改善了合金的耐腐蝕性能及力學(xué)性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[000引本發(fā)明通過(guò)對(duì)現(xiàn)有錯(cuò)合金中的成分及配比作進(jìn)一步優(yōu)化，W得到一種新穎的、具 有良好耐腐蝕性能的新型錯(cuò)合金。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)運(yùn)一目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是： 一種核動(dòng)力壓水堆用錯(cuò)合金，按重量百分含量計(jì)，由下列成分組成：Sn:0.05-0.25%， Nb:1.05-1.35%，F(xiàn)e:0.15-0.45%，Cr:0.02-0.2%，Cu:0.02-0.2%，V或Bi:0-0.2%，Ni或Al:〇- ο. 2%，ο: ο. 06-0.16%，C:小于ο. 008%，N:小于ο. 006%，余量為Zr 及其它雜質(zhì)。
[0007] -種核動(dòng)力壓水堆用錯(cuò)合金，按重量百分含量計(jì)，由下列成分組成：Βη,Ο.Οδ- Ο. 25〇/〇, Nb: 1.05-1.35〇/〇 ， 化 ： 0.15-0.45〇/〇 ， Cr: 0.02-0. 2〇/〇 ， Cu: 0.02-0. 2〇/〇 ， V或 Bi : 0-0. 2〇/〇 ， Ni 或 A1:0.005-0.2%，0:0.06-0.16%，C:小于0.008%，N:小于0.006%，余量為Zr 及其它雜質(zhì)。
[0008] 一種核動(dòng)力壓水堆用錯(cuò)合金，按重量百分含量計(jì)，由下列成分組成：Sn:0. Οδ? ?.25〇/〇，抓： 1.05-1.35〇/〇，化：0.15-0.45〇/〇，Cr:0.02-0.2〇/〇，Cu:0.02-0.2〇/〇，V或 Bi :0.01-0.2〇/〇， Ni 或 A1:0.005-0.2%，0:0.06-0.16%，C:小于0.008%，N:小于0.006%，余量為 Zr 及其它雜質(zhì)。
[0009] -種核動(dòng)力壓水堆用錯(cuò)合金，按重量百分含量計(jì)，由下列成分組成：Sn:0. Οδ? ?.25〇/〇，抓： 1.05-1.35〇/〇，化：0.15-0.45〇/〇，Cr:0.02-0.2〇/〇，Cu:0.02-0.2〇/〇，V或 Bi :0.01-0.2〇/〇， 0:0.06-0.16%，C:小于0.008%，N:小于0.006%，余量為Zr及其它雜質(zhì)。
[0010] -種核動(dòng)力壓水堆用錯(cuò)合金，按重量百分含量計(jì)，由下列成分組成：Sn:0. Οδ? ?. 25〇/〇，師 ：1.05-1. 35〇/〇，F(xiàn)e :0.15-0.45〇/〇，燈 ：0.02-0. 2〇/〇，Cu :0.02-0. 2〇/〇，Ni 或 A1:0.005- 0.2%，0:0.06-0.16%，C:小于0.008%，N:小于0.006%，余量為Zr 及其它雜質(zhì)。
[0011] -種核動(dòng)力壓水堆用錯(cuò)合金，按重量百分含量計(jì)，由下列成分組成：Sn:0. Οδ? ?. 25〇/〇，抓 ：1.05-1.35〇/〇，F(xiàn)e :0.15-0.45〇/〇，Cr :0.02-0. 2〇/〇，Cu:0.02-0.2〇/〇，Al :0.005-0.2〇/〇,0: 0.06-0.16%，C:小于0.008%，N:小于0.006%，余量為Zr及其它雜質(zhì)。
[0012] 一種核動(dòng)力壓水堆用錯(cuò)合金，按重量百分含量計(jì)，由下列成分組成:Sn:0.15%，Nb: 1.2%，F(xiàn)e: 0.25%，Cr: 0.07%，Cu: 0.07%，A1:0.01%，0:0.12%，C:小于0.008%，N:小于 0.006%，余 量為Zr。
[0013] 本發(fā)明W化-Sn-師合金體系為基，在該合金體系中添加。6、吐、〇1，可選擇性添加 其它合金元素如V或Bi、Ni或A1等，添加方式為多元少量。通過(guò)合理組合合金元素相互配比， 對(duì)合金耐腐蝕性能會(huì)產(chǎn)生意想不到的效果，能很大程度上提高了合金的堆外抗腐蝕性能， 預(yù)計(jì)合金在堆內(nèi)具有優(yōu)良的抗腐蝕性能及抗福照生長(zhǎng)、蠕變性能。
[0014] 如上所述的一種核動(dòng)力壓水堆用錯(cuò)合金的制備方法包括W下步驟： (1) 將錯(cuò)合金中各組分按照設(shè)計(jì)成分進(jìn)行配料； (2) 在真空自耗電弧爐中進(jìn)行烙煉，制成合金鑄錠； (3) 將合金鑄錠在900°C-1050°C的β相區(qū)鍛造成所需形狀的巧材； (4) 將巧材在1000°C-1100°C的β相區(qū)加熱均勻化，并進(jìn)行澤火處理； 巧)將澤火后的巧材在600°C-700°C的β相區(qū)進(jìn)行熱加工； (6) 將熱加工后的巧材進(jìn)行冷加工，并在560°C-650°C進(jìn)行中間退火； (7) 在480°C-620°C內(nèi)進(jìn)行消除應(yīng)力退火或再結(jié)晶退火處理，得到所述錯(cuò)合金材料。
[0015] 綜上，本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明在化-Sn-師合金基礎(chǔ)上，添加了其他用于改善 合金性能的元素成分，選擇適當(dāng)?shù)慕M分含量，并控制固溶、相組分、第二相晶體結(jié)構(gòu)、成分及 種類，使本發(fā)明提供的合金性能滿足核動(dòng)力反應(yīng)堆高燃耗對(duì)堆忍結(jié)構(gòu)材料的要求。由運(yùn)種 原型合金制備的產(chǎn)品提高了在堆外純水特別是在氨氧化裡水溶液中的耐均勻腐蝕性能，提 高了在高溫蒸汽中的耐巧狀腐蝕性能。通過(guò)【具體實(shí)施方式】中的試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果，可W認(rèn)為運(yùn) 些合金在反應(yīng)堆內(nèi)使用具有更優(yōu)良的耐均勻和巧狀腐蝕性能、較高的抗蠕變和疲勞特性、 抗福照生長(zhǎng)性能。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 下面結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
[0017] 對(duì)用于核反應(yīng)堆包殼材料的錯(cuò)合金來(lái)講，錯(cuò)合金的耐腐蝕性能是首要考慮的因 素，在此基礎(chǔ)上生產(chǎn)成本及可加工性是選擇合金元素時(shí)需要考慮的。因此，需要詳細(xì)研究每 一種合金元素對(duì)耐腐蝕性、機(jī)械性能及蠕變行為的影響及合金體系中每種合金元素的用量 范圍。本發(fā)明所述的錯(cuò)合金具有更優(yōu)良的耐均勻和巧狀腐蝕性能、具有較高的抗蠕變和疲 勞特性、抗福照生長(zhǎng)性能。
[0018] 各合金元素的作用及用量具體情況如下： (1)錯(cuò)化） 鑒于對(duì)中子經(jīng)濟(jì)性的考慮，本發(fā)明選擇中子吸收截面較小(0.185b)的錯(cuò)作為基體元 素，同時(shí)也考慮添加到錯(cuò)基體中其他合金元素的中子吸收截面情況。
[0019] (2)錫(Sn) 錫能夠穩(wěn)定錯(cuò)的α相，增加其強(qiáng)度，并能抵消氮對(duì)腐蝕的有害作用。當(dāng)錫用量過(guò)少時(shí)，不 能達(dá)到所需的效果。本發(fā)明中Sn添加含量在0.05-0.25%(重量百分比），能夠保證合金具有 優(yōu)良的耐腐蝕性能和良好的力學(xué)性能。
[0020] (3)妮(佩） 妮能夠穩(wěn)定錯(cuò)的β相，對(duì)錯(cuò)有較高的強(qiáng)化作用。當(dāng)妮用量過(guò)多時(shí)，對(duì)熱處理敏感。本發(fā)明 中Nb添加含量在1.05-1.35 % (重量百分比），能夠保證合金具有優(yōu)良的耐腐蝕性能和良好 的力學(xué)性能。
[0021 ] (4)鐵(Fe) 鐵能夠改進(jìn)合