一種核動(dòng)力堆芯結(jié)構(gòu)材料用鋯基合金的制作方法
【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，具體涉及一種核動(dòng)力堆芯結(jié)構(gòu)材料用鋯基合 金材料。
【背景技術(shù)】
[0002] 鋯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)展過程中，燃料設(shè)計(jì)對反應(yīng) 堆堆芯結(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鋯合金包殼在堆內(nèi) 的停留時(shí)間，從而使得鋯合金包殼面臨著更為苛刻的腐蝕環(huán)境，這些高要求促進(jìn)了改善Zr-4合金耐腐蝕性能的研究，同時(shí)也推動(dòng)了對具有更優(yōu)良耐腐蝕性能的新型鋯合金的開發(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，因而對燃料組件提出了長壽期、高燃耗、零破損的目標(biāo)。這意味 著鋯合金包殼的水側(cè)腐蝕加重、吸氫量增加、輻照時(shí)間增長、芯塊與包殼相互作用增大和內(nèi) 壓升高等，從而對鋯合金的使用性能提出了更高的要求。針對核動(dòng)力技術(shù)發(fā)展對燃料包殼 提出的高要求，國際上展開了新型鋯合金的研究，獲得了比Zr-4合金具有更好耐腐蝕性能 的21此03635、15、乂5六等新型鋯合金。已有研究表明，現(xiàn)有鋯合金中成分的配比并不一定在 最優(yōu)范圍內(nèi)，如將ZIRL0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)行過程中出現(xiàn)了燃料棒或燃料組件彎曲以及抗輻照生長性能差等異?，F(xiàn)象，因此法國 在M5合金成分基礎(chǔ)上添加了少量的Sn及Fe，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，尤其是蠕變及輻照生長性能。因此，在現(xiàn)有鋯合金的基礎(chǔ)上優(yōu)化合金成分 配比或者添加其它合金元素還可開發(fā)出耐腐蝕性能更加優(yōu)良的鋯合金，以滿足燃耗不斷提 高的需要。
[0004] 另外，在合金成分確定以后，采用合適的熱加工工藝還可以進(jìn)一步改善合金的耐 腐蝕性能。如在Nb含量較高的鋯合金中，包括ZIRL0、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以及合金基體中過飽和固溶Nb，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】

[0005] 本發(fā)明通過對現(xiàn)有鋯合金中的成分及配比作進(jìn)一步優(yōu)化，以得到一種新穎的、具 有良好耐腐蝕性能的新型鋯合金。
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)這一目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是： 一種核動(dòng)力堆芯結(jié)構(gòu)材料用鋯基合金，按重量百分含量計(jì)，由下列成分組成：Sn :0.1- 0.3%，Nb:1.0-1.35%，F(xiàn)e:0.(n-0.15%，V:0.01-0.2%，NiSBiSGe :0-0.1%，MnSMo:0-0.1%， Ο: Ο · 06-0 · 15%，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)力堆芯結(jié)構(gòu)材料用錯(cuò)基合金，按重量百分含量計(jì)，由下列成分組成：Sn: 0d-0.3%，Nb :1.0-1.35%，F(xiàn)e:0.01-0.15%，V:0.01-0.2%，NiSBiSGe :0-0.1%，MnSMo: 0.01-0.1%，0:0.06-0.15%，(：:小于0.008%小 :小于0.006%，余量為21及其它雜質(zhì)。
[0008] -種核動(dòng)力堆芯結(jié)構(gòu)材料用錯(cuò)基合金，按重量百分含量計(jì)，由下列成分組成：Sn: 0J-0.3%，Nb:1.0-1.35%，F(xiàn)e:0.(n-0.15%，V :0.01-0.2%，NiSBiSGe:0.01-0.1%，MnSMo: 0.01-0.1%，0:0.06-0.15%，(：:小于0.008%小:小于0.006%，余量為21及其它雜質(zhì)。
[0009] -種核動(dòng)力堆芯結(jié)構(gòu)材料用錯(cuò)基合金，按重量百分含量計(jì)，由下列成分組成：Sn: 0.1-0.3%，Nb:1.0-1.35%，F(xiàn)e:0.01-0.15%，V:0.01-0.2%，Ni或Bi或Ge:0.01-0·1%，0:0.06-0.15%，C:小于0.008%，Ν:小于0.006%，余量為Zr及其它雜質(zhì)。
[0010] -種核動(dòng)力堆芯結(jié)構(gòu)材料用錯(cuò)基合金，按重量百分含量計(jì)，由下列成分組成：Sn: 0·卜0.3%，Nb:1.0-1.35%，F(xiàn)e:0.01-0·15%，ν:0·(Π -0·2%，Mn或Mo :0.01-0·1%，0:0.06-0.15%，C:小于0.008%，Ν:小于0.006%，余量為Zr及其它雜質(zhì)。
[0011] -種核動(dòng)力堆芯結(jié)構(gòu)材料用錯(cuò)基合金，按重量百分含量計(jì)，由下列成分組成：Sn: 0.1-0.3%,Nb：1.0-1.35%,Fe:0.01-0.15%,V：0.01-0.2%,Μη：0.01-0.1%,0：0.06-0.15%,C： 小于0.008%，Ν:小于0.006%，余量為Zr及其它雜質(zhì)。
[0012] -種核動(dòng)力堆芯結(jié)構(gòu)材料用錯(cuò)基合金，按重量百分含量計(jì)，由下列成分組成：Sn: 0.2%，恥 ：1.3%，卩6:0.1%，￥:0.05%，]?11:0.05%，0:0.12%，(： ：小于0.008%?。盒∮?.006%，余量 為Zr及其它雜質(zhì)。
[0013] 本發(fā)明以Zr-Sn-Nb合金體系為基，在該合金體系中添加 Fe、V、Ni或Bi或Ge、Mn或Mo 等，添加方式為多元少量。通過合理組合合金元素相互配比，對合金耐腐蝕性能會(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 腐蝕性能及抗輻照生長、蠕變性能。
[0014] 如上所述的一種核動(dòng)力堆芯結(jié)構(gòu)材料用鋯基合金的制備方法包括以下步驟： (1) 將鋯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)行熔煉，制成合金鑄錠； (3) 將合金鑄錠在900°C - 1050°C的β相區(qū)鍛造成所需形狀的坯材； (4) 將坯材在1000°C - 1100°C的β相區(qū)加熱均勻化，并進(jìn)行淬火處理； (5) 將淬火后的坯材在600°C - 700°C的β相區(qū)進(jìn)行熱加工； (6) 將熱加工后的坯材進(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，得到所述鋯合金材料。
[0015] 綜上，本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明在Zr-Sn-Nb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)堆高燃耗對堆芯結(jié)構(gòu)材料的要求，由這種 原型合金制備的產(chǎn)品提高了在堆外純水和含硼含鋰水溶液中的耐腐蝕性能。通過具體實(shí)施 方式中的試驗(yàn)檢測結(jié)果，可以認(rèn)為這些合金在反應(yīng)堆內(nèi)使用具有更優(yōu)良的耐腐蝕性能、較 高的抗蠕變和疲勞特性、抗輻照生長性能。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 下面結(jié)合實(shí)施例，對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
[0017] 對用于核反應(yīng)堆包殼材料的鋯合金來講，鋯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)明所述的鋯合金具有更優(yōu)良的耐均勻和癤狀腐蝕性能、具有較高的抗蠕變和疲 勞特性、抗輻照生長性能。
[0018] 各合金元素的作用及用量具體情況如下： ⑴鋯(Zr) 鑒于對中子經(jīng)濟(jì)性的考慮，本發(fā)明選擇中子吸收截面較小(〇.185b)的鋯作為基體元 素，同時(shí)也考慮添加到鋯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)定鋯的α相，增加其強(qiáng)度，并能抵消氮對腐蝕的有害作用。當(dāng)錫用量過少時(shí)，不 能達(dá)到所需的效果。本發(fā)明中Sn添加含量在0.1-0.3%(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)鈮（Nb) 鈮能夠穩(wěn)定鋯的β相，對鋯有較高的強(qiáng)化作用。當(dāng)鈮用量過多時(shí)，對熱處理敏感。本發(fā)明 中Nb添加含量在1.0-1.35% (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)合金耐腐蝕性和力學(xué)性能，但鐵用量過多或過少都會(huì)產(chǎn)生不利的影響。本 發(fā)明中Fe添加的含量在0.01-0.15% (重量百分比），能夠保證