一種核反應堆包殼材料用低錫鋯基合金的製作方法
2023-06-15 13:45:46
專利名稱：一種核反應堆包殼材料用低錫鋯基合金的製作方法
技術領域：
本發明涉及鋯基合金材料領域，尤其是涉及一種能用作輕水核電廠核反應堆堆芯中的燃料棒包殼材料的耐腐蝕鋯基合金。
背景技術：
鋯的熱中子吸收截面非常小，並具有良好的耐高溫水腐蝕性能和力學性能，因此在水冷核反應堆中鋯基合金被廣泛用作燃料棒的包殼材料和核反應堆芯的結構元件。隨著核動力反應堆技術朝著提高燃料燃耗和降低燃料循環成本、提高反應堆熱效率、提高安全可靠性的方向發展，對關鍵核心部件燃料元件包殼材料鋯基合金的抗腐蝕性能、吸氫性能、 力學性能及輻照尺寸穩定性等性能提出了更高的要求。燃料元件在服役條件(輻照、高溫、 高壓及複雜的應力)下，要發生蠕變和疲勞。蠕變性能是鋯基合金在水冷動力堆中工作時要考慮的重要問題之一，國內外對鋯基合金的蠕變進行了大量的研究。在上世紀60年代早期開發出的鋯基合金如合金，其在反應堆工作溫度下具有優異的機械強度、抗蠕變性、熱傳導性和低的中子吸收截面，並且廣泛地使用至今。由於常規系的合金所能滿足的核電站燃料的燃耗設計值通常為33GWd/tU，因此，為了滿足高燃耗及長壽命堆芯的要求，一方面，從20世紀70年代以來許多國家都開展了改善合金的腐蝕性研究，另一方面研究性能更好的新型鋯基合金，新型鋯基合金的開發傾向於減少或消除錫(Sn)的含量，其中最突出的成果是發展了低錫合金，或稱之為優化合金，設計燃耗可達 45Gffd/tU0中國發明專利申請200810084446. 1公開了用於核反應堆的鋯基合金，其中公開了一種合金組份如下Sn 0. 65% 1. 2% ;Nb 0. 2% 0. 45%、Fe 0.2% 0.4%、Cr 0. 01% 0. 2%,0 0. 06% 0. 15%,V 0. 002% 0. 2%，C 0. 012 0. 015%,NO. 006% ο. 008%以及餘量為^ 。該鋯基合金具有優良的耐均勻和癤狀腐蝕性能，具有較高的抗蠕變和疲勞性，具有抗輻照生長性能。該合金雖然具有上述的優點，但是錫含量仍然較高。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種錫含量更低的核反應堆包殼材料用低錫鋯基合金，其具有優良的抗腐蝕性和良好的力學性能。為解決以上技術問題，本發明採用的一種技術方案是一種核反應堆包殼材料用低錫鋯基合金，以所述鋯基合金的總重量為基準，其由如下組分組成Nb 0.25% 0. 35%, Sn 0. 35% 0. 45%、Cu 0. 01 % 0. 15 %、Ni 或 V 0. 01% 0.1%、0 600 1400ppm、C ( lOOppm、N ( 80ppm 以及 Zr 餘量。本發明採取的又一技術方案是一種核反應堆包殼材料用低錫鋯基合金，以所述鋯基合金的總重量為基準，其由如下組分組成Nb 0. 25% 0. 35%, SnO. 35% 0. 45%, Cu 0. 01% 0. 15%、Fe 0. 0. 2%、0 600 1400ppm、C 彡 lOOppm, N 彡 80ppm 以及
^ 餘量。
本發明採取的另一技術方案是一種核反應堆包殼材料用低錫鋯基合金，以所述鋯基合金的總重量為基準，其由如下組分組成Nb 0. 25% 0. 35%, SnO. 35% 0. 45%, Cu 0. 01 % 0. 15%、Ni 或 V 0. 01 % 0. 1 %、Fe 0·1% 0·2%、0 600 1400ppm、 C ^ lOOppm、N ^ 80ppm 以及 Zr 餘量。或者，本發明還可通過如下方案來實現一種核反應堆包殼材料用低錫鋯基合金， 以所述鋯基合金的總重量為基準，其由如下組分組成Nb 0. 25% 0. 35%、Sn 0. 35% 0. 45%, Cu 0. 01% 0. 15%、Ni 0. 01% 0. 1%、V 0. 01 % 0. 1 %、Fe 0. 0. 2%、 0 600 1400ppm、C ( lOOppm、N ( 80ppm 以及 Zr 餘量。上述合金配方中，C和N為從原料中帶來的不可避免的雜質，本領域的一般技術人員應當了解，上述合金配方中可能還包括的一些從原料中帶來的其它不可避免的雜質成分，這些雜質成分以不可避免的量存在時不會對本發明鋯基合金造成不利影響。本發明與現有技術相比具有以下優點本發明對已有鋯基合金配方進行優化設計，使得在Sn含量較小時，仍然具有優異的抗腐蝕性和良好的力學性能。
具體實施例方式下面結合具體的實施例對本發明做進一步說明，但本發明不限於以下實施例用核級海綿鋯( 含量大於97% )、狗、Ni、V、Nb、Sn、Cu元素以中間合金的形式按質量百分比配料並採用真空電弧爐進行多次熔煉製成合金錠；對鑄錠取樣進行化學成分分析，合金成分見表1。鑄錠經過鍛造、熱軋、冷軋、退火等工序製得相應成分的鋯基合金板材。對本發明的實施例1-8的八種鋯基合金板材及對比例低錫合金進行腐蝕性能試驗。腐蝕試驗在高壓釜中進行，腐蝕條件為400°C/10. 3ΜΙ^過熱蒸汽和427°C/10. 3MPa 過熱蒸汽。表1給出了根據本發明的實施例1-8和對比例低錫合金的鋯基合金的成分配比及它們各自在上述腐蝕條件下的腐蝕速率及相對腐蝕速率。表1實施例1-8的鋯基合金組成及耐腐蝕性能
權利要求
1.一種核反應堆包殼材料用低錫鋯基合金，其特徵在於以所述鋯基合金的總重量為基準，所述鋯基合金由如下組分組成Nb 0. 25% 0. ；35%、SnO. ；35 % 0. 45 %、Cu 0. 01% 0. 15%,Ni 或 V 0. 01% 0. 1%、0 600 1400ppm、C 彡 100ppm、N 彡 80ppm 以及^ 餘量。
2.一種核反應堆包殼材料用低錫鋯基合金，其特徵在於以所述鋯基合金的總重量為基準，所述鋯基合金由如下組分組成Nb 0. 25% 0. ；35%、SnO. ；35% 0. 45%、Cu 0.01% 0. 15%,Fe 0. 0.2%、0 600 1400ppm、C 彡 100ppm、N 彡 80ppm 以及 Zr 餘量。
3.一種核反應堆包殼材料用低錫鋯基合金，其特徵在於以所述鋯基合金的總重量為基準，所述鋯基合金由如下組分組成Nb 0. 25 % 0. 35 %、SnO. 35 % 0. 45 %、 Cu 0. 01 % 0. 15 %、Ni 或 V 0. 01 % 0. 1 %、Fe 0. 1 % 0. 2 %、0 600 1400ppm、 C ( lOOppm、N ( 80ppm 以及 Zr 餘量。
4.一種核反應堆包殼材料用低錫鋯基合金，其特徵在於以所述鋯基合金的總重量為基準，所述鋯基合金由如下組分組成Nb 0. 25% 0. ；35%、SnO. ；35 % 0. 45 %、Cu 0. 01% 0. 15%、Ni 0.01% 0.1%、V 0. 01 % 0. 1 %、FeO. 1 % 0. 2 %、0 600 1400ppm、C 彡 lOOppm, N 彡 80ppm 以及 Zr 餘量。
全文摘要
本發明公開了一種核反應堆包殼材料用低錫鋯基合金，以所述鋯基合金的總重量為基準，其組成為Nb 0.25％～0.35％、Sn 0.35％～0.45％、Cu 0.01～0.15％、O 600～1400ppm、C≤100ppm、N≤80ppm以及選擇性加入的Ni 0.01％～0.1％、V 0.01％～0.1％、Fe 0.1％～0.2％中的一種或多種，以及Zr餘量。通過一系列的實驗數據表明，本發明與現有的低錫Zr-4合金相比，在400℃和427℃高溫蒸汽中具有更為優異的抗腐蝕性能，滿足核反應堆包殼材料應用要求。
文檔編號C22C16/00GK102268572SQ20111018009
公開日2011年12月7日 申請日期2011年6月30日 優先權日2011年6月30日
發明者張晏瑋, 王榮山, 王錦紅, 翁立奎, 耿建橋 申請人:中國廣東核電集團有限公司, 蘇州熱工研究院有限公司