一種核反應堆燃料組件用低錫鋯合金材料的製作方法
2023-05-17 02:16:11
專利名稱：一種核反應堆燃料組件用低錫鋯合金材料的製作方法
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。在上世紀60年代早期開發出的鋯合金如合金，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合金，新型鋯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45GWd/tU。中國發明專利公開CN1404532公開了一種用在核燃料覆層中的耐腐蝕性鋯基合金，其含有較低含量的錫，具體的說，該鋯合金中，Nb含量為0. 6-2. 0%，含有的Sn和!^e的含量關係為當Sn為0. 25時，Fe為0. 5 ；當Sn為0. 4時，Fe為0. 35-0. 50 ；當Sn為0. 50時， Fe 為 0. 25-0. 50 ；當 Sn 為 0. 70 時，Fe 為 0. 05-0. 50 ；當 Sn 為 1. 0 時，Fe 為 0. 05-0. 50，Fe 和Sn的含量之和大於0. 75，其它另外的組成元素不超過0. 5%，餘量為^ ，這樣的合金組成改進了 ^-Nb-Sn-Fe合金的耐腐蝕性能，提高了其在水和蒸汽中，特別是在氫氧化鋰水溶液環境中的均勻耐腐蝕性。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種核反應堆燃料組件用低錫鋯合金材料，其具有更優異的耐腐蝕性能特別是焊縫處的耐腐蝕性能。為解決以上技術問題，本發明採用的一種技術方案是
一種低錫鋯合金材料，以所述低錫鋯合金材料的總重量為基準，所述低錫鋯合金材料由 0. 8% 1. 0% Nb ；0. 2% 0. 5% Sn ；0. 2% 0. 5% Fe ；0. 06% 0. 14% 0 ；0. 05% 0. l%Cu ；
0.09% 0. 2%的Cr或V ；以及餘量為rLr組成，其中Sn和!^e的重量百分比之和為0. 6%
1.0%。根據本發明的一個優選方面，按重量份計，所述低錫鋯合金材料由0.9% 1.0% Nb ；0. 3% 0· 5% Sn ； 0. 3% 0. 4% Fe ； 0. 06% 0. 14% 0 ；0. 05% 0. 1% Cu ；0. 1% 0. 2%Cr，以及餘量為^ 組成。根據本發明的又一優選方面，按重量份計，所述低錫鋯合金材料由0.9% 1.0% Nb ；0. 2% 0. 5% Sn ；0. 3% 0. 4% Fe ；0. 06% 0. 14% 0 ；0. 05% 0. 1% Cu ；0. 09% 0. 2% 的 V，以及餘量為^ 組成。本發明採取的又一技術方案是一種核反應堆燃料組件用低錫鋯合金材料，以所述低錫鋯合金材料的總重量為基準，所述低錫鋯合金材料由0. 8% 1. 0% Nb ；0. 29Π). 5% Sn ；0. 2% 0. 5% Fe ；0. 06% 0. 14% 0 ；0. 05% 0. l%Cu ；0. 09% 0. 2% Cr ；0. 09% 0. 2% V ；以及餘量為ττ組成，其中Sn和！^的重量百分比之和為0. 6% 1. 0%。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。本發明與現有技術相比具有以下優點本發明通過大量實驗研究發現，在控制鋯合金中Sn和!^e的重量百分比之和在一定範圍內時，加入的特定量的Cr或V能夠大大減少合金焊縫處的腐蝕，由此可以提高核燃料組件的安全性、成本和效率，其中，V還能夠改進合金的力學性能，加入的特定量的Cu能夠有助於進一步改善合金的耐腐蝕性能。
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 參見表1，其中給出了根據本發明的七種典型鋯合金材料的成分組成。表1實施例1至7的鋯合金組成
具有表1中組成的鋯合金材料均按照如下步驟製備得到將Nb、Sn、Fe、Cu、Cr、V等元素以中間合金的形式與核級海綿鋯按質量百分比配料混合併壓製成電極，採用真空自耗電弧爐進行三次熔煉製成合金錠。鑄錠經過900°C 1020°C鍛造加工；再經990°C 1020°C β 相固溶並淬火；再經熱軋、多次冷軋、中間退火及經580°C最終退火等工序製得相應成分的鋯合金板材。將本發明所述的7種典型成分的鋯合金板材及&-lNb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、10.3MI^去離子水蒸汽以及360°C、 18. 6MPa去離子水，腐蝕試驗時間均為100天，表1給出了該5種鋯合金的化學成分。表2 列出了本發明實施例在上述兩種腐蝕條件下的腐蝕增重。作為對比，Zr-INb合金的相同試驗條件的試驗數據也同樣在表2中列出。表2實施例1-7鋯合金板材與&-lNb合金150天腐蝕試驗比較
權利要求
1.一種核反應堆燃料組件用低錫鋯合金材料，其特徵在於以所述低錫鋯合金材料的總重量為基準，所述低錫鋯合金材料由0. 8% 1. 0% Nb ；0. 2°/Γθ. 5% Sn ；0. 2% 0. 5% Fe ； 0. 06% 0. 14% 0 ；0. 05% 0. l%Cu ；0. 09% 0. 2%的Cr或V ；以及餘量為Zr組成，其中 Sn和Fe的重量百分比之和為0. 6% 1. 0%。
2.根據權利要求1所述的核反應堆燃料組件用低錫鋯合金材料，其特徵在於按重量份計，所述低錫鋯合金材料由0. 9% 1. 0% Nb ；0. 3% 0. 5% Sn ；0. 3% 0. 4% Fe ； 0. 06% 0. 14% 0 ；0. 05% 0. 1% Cu ；0. 1% 0. 2% Cr,以及餘量為 Zr 組成。
3.根據權利要求1所述的核反應堆燃料組件用低錫鋯合金材料，其特徵在於按重量份計，所述低錫鋯合金材料由0. 9% 1. 0% Nb ； 0. 2% 0. 5% Sn ；0. 3% 0. 4% Fe ；0. 06% 0. 14% 0 ；0. 05% 0. 1% Cu ；0. 09% 0. 2% V,以及餘量為 Zr 組成。
4.一種核反應堆燃料組件用低錫鋯合金材料，其特徵在於以所述低錫鋯合金材料的總重量為基準，所述低錫鋯合金材料由0. 8% 1. 0% Nb ；0. 2°/Γθ. 5% Sn ；0. 2% 0. 5% Fe ； 0. 06% 0. 14% 0 ；0. 05% 0. l%Cu ；0. 09% 0. 2% Cr ；0. 09% 0. 2% V ；以及餘量為 Zr 組成，其中Sn和!^e的重量百分比之和為0. 6% 1. 0%。
5.根據權利要求4所述的核反應堆燃料組件用低錫鋯合金材料，其特徵在於按重量份計，所述低錫鋯合金材料由0. 9% 1. 0% Nb ； 0. 2% 0. 5% Sn ；0. 3% 0. 4% Fe ；0. 06% 0. 14% 0 ；0. 05% 0. 1% Cu ；0. 09% 0. 2% Cr ；0. 09% 0. 2% V,以及餘量為 Zr 組成。
全文摘要
本發明公開了一種核反應堆燃料組件用低錫鋯合金材料，以所述低錫鋯合金材料的總重量為基準，所述低錫鋯合金材料由0.8%～1.0%Nb；0.2%~0.5%Sn；0.2%～0.5%Fe；0.06%～0.14%O；0.05%～0.1%Cu；0.09%～0.2%的Cr或V；以及餘量為Zr組成，其中Sn和Fe的重量百分比之和為0.6%～1.0%。本發明通過大量實驗研究發現，在控制鋯合金中Sn和Fe的重量百分比之和在一定範圍內時，加入的特定量的Cr或V能夠大大減少合金焊縫處的腐蝕，由此可以提高核燃料組件的安全性、成本和效率，其中，V還能夠改進合金的力學性能，加入的特定量的Cu能夠有助於進一步改善合金的耐腐蝕性能。
文檔編號C22C16/00GK102212718SQ20111015848
公開日2011年10月12日 申請日期2011年6月14日 優先權日2011年6月14日
發明者劉彥章, 鹹春宇, 張晏瑋, 束國剛, 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, 中廣核工程有限公司, 蘇州熱工研究院有限公司