一種用作核壓水反應堆結構材料的鋯合金的製作方法

2023-10-11 00:22:14 3

專利名稱:一種用作核壓水反應堆結構材料的鋯合金的製作方法
技術領域：
本發明涉及鋯合金材料領域，尤其是涉及一種能用作核壓水反應堆結構材料的鋯
I=I -Wl O
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，國內外對鋯合金的蠕變進行了大量的研究。目前最成熟、應用最廣泛的是被稱之為Zr-2、Zr-4合金的鋯合金，但隨著核燃料組件向長壽期、高燃耗方向的發展，要求作為反應堆結構材料的鋯基合金必須具有更好的耐蝕、抗蠕變、抗輻射生長等綜合性能，在這一點上Zr-2、Zr-4合金已不能滿足要求。
近二十年來，壓水堆用鋯合金的研究趨勢是對已有材料的不斷改進和進行高性能新鋯合金的研究，總體思路是在Zr-Nb系和Zr-Sn-Nb系合金的基礎上進行合金成分含量的調整以及添加其它合金元素，或者二者同時進行以達到提高合金整體性能的目的。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種用作核壓水反應堆結構材料的鋯合金，其綜合性能特別是抗腐蝕性能優異。
為解決以上技術問題，本發明採用的技術方案是
一種用作核壓水反應堆結構材料的鋯合金，以所述鋯合金的總重量為基準，所述鋯合金由如下組分組成Nb O. 25% O. 4%、Fe O. 3% O. 45%,Cr O. 2% O. 3%、S 30ppm lOOppm、O 600 1200ppm、C ^ lOOppm、N ^ 80ppm 以及 Zr 餘量,其中，Nb 與 Fe 的重量比彡1，Fe與Cr的重量比為I. 4 I. 6:1。
根據本發明的進一步方案按重量份計，所述鋯合金的組成為Nb 0.3%、FeO. 35%、Cr O. 25%、S 50ppm、O 600 1200ppm、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合金造成不利影響。
根據本發明，上述鋯合金可通過如下步驟製備將熔煉所需的各種組元素按照配方比例均勻混合，壓製成電極，採用真空自耗電弧爐進行熔煉，熔煉3次，製成成分分布均勻的合金鑄錠；然後將合金鑄錠在90(Tl000°C的β相區鍛造成所需形狀的坯料；接著在98(Tl050°C的β相區均固溶處理，然後淬火處理；然後在55(T750°C範圍內對淬火後的坯料進行熱加工，熱加工後的坯料經多次冷加工和在50(T600 °C範圍內進行中間退火，直至加工成所需型材；最後，在550°C飛30°C範圍內進行再結晶退火，得到成品鋯合金材料。
按照上述工藝製備的材料由等軸α -Zr晶粒和細小彌散分布的第二相粒子組成，這樣的顯微組織能夠保證該材料在反應堆堆芯苛刻的環境中具有優良的耐腐蝕性能、力學性能等使用性能。
本發明與現有技術相比具有以下優點本發明對傳統的Zr-Nb合金配方進行優化設計，不僅提高了鋯合金的耐腐蝕性能，而且提高了合金的蠕變性能，焊接性能等，合金的綜合性能優異，滿足核壓水反應堆結構材料的要求。
具體實施方式
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
將熔煉所需的各種組元素按照表I的配方比例均勻混合，壓製成電極，採用真空自耗電弧爐進行熔煉，熔煉3次，製成成分分布均勻的合金鑄錠；然後將合金鑄錠在90(Tl000°C的β相區鍛造成所需形狀的坯料；接著在98(Tl050°C的β相區均固溶處理，然後淬火處理；然後在55(T750°C範圍內對淬火後的坯料進行熱加工，熱加工後的坯料經多次冷加工和在50(T60(TC範圍內進行中間退火，直至加工成所需型材；最後，在550°C飛30°C範圍內進行再結晶退火，得到成品鋯合金材料，並進一步製備成腐蝕樣品進行高壓釜腐性能測試。
對本發明的實施例1-7的七種鋯合金板材進行腐蝕性能試驗。腐蝕試驗在高壓釜中進行，腐蝕條件為400°C、10. 3MPa去離子水蒸汽和427°C水蒸汽。表I給出了根據本發明的實施例1-7的鋯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I實施例1-7的鋯合金組成及耐腐蝕性能
權利要求
1.一種用作核壓水反應堆結構材料的鋯合金，其特徵在於以所述鋯合金的總重量為基準，所述鋯合金由如下組分組成Nb O. 3%、Fe O. 35%、Cr O. 25%、S 50ppm、O 600 1200ppm、C ( 100ppm、N ( 80ppm以及Zr餘量，所述鋯合金的製備方法為將熔煉所需的各種組元素按照配方比例均勻混合，壓製成電極，採用真空自耗電弧爐進行熔煉，熔煉3次，製成成分分布均勻的合金鑄錠；然後將合金鑄錠在90(Tl000°C的β相區鍛造成所需形狀的坯料；接著在98(Tl050°C的β相區均固溶處理，然後淬火處理；然後在55(T750°C範圍內對淬火後的坯料進行熱加工，熱加工後的坯料經多次冷加工和在50(T60(TC範圍內進行中間退火，直至加工成所需型材；最後，在550°C飛30°C範圍內進行再結晶退火，得到成品鋯合金。
專利摘要
本發明公開了一種用作核壓水反應堆結構材料的鋯合金，以所述鋯合金的總重量為基準，所述鋯合金由如下組分組成Nb0.25%～0.4%、Fe0.3%～0.45%、Cr0.2%～0.3%、S30ppm～100ppm、O600～1200ppm、C≤100ppm、N≤80ppm以及Zr餘量，其中，Nb與Fe的重量比≤1，Fe與Cr的重量比為1.4～1.6:1。本發明對傳統的Zr-Nb合金配方進行優化設計，不僅提高了鋯合金的耐腐蝕性能，而且提高了合金的蠕變性能，焊接性能等，合金的綜合性能優異，滿足核壓水反應堆結構材料的要求。
文檔編號G21C3/07GKCN102220519 B發布類型授權 專利申請號CN 201110147671
公開日2013年1月16日 申請日期2011年6月2日
發明者王榮山, 翁立奎, 耿建橋, 張晏瑋, 王錦紅 申請人:蘇州熱工研究院有限公司, 中國廣東核電集團有限公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (3),