本發(fā)明涉及鋯合金材料領(lǐng)域,尤其是涉及一種可用作壓水堆核電廠較高燃耗下的燃料棒包殼材料、格架條帶及結(jié)構(gòu)件的耐腐蝕含cu鋯合金。
背景技術(shù):
鋯合金由于熱中子吸收截面小、導(dǎo)熱率高、機械性能好,又具有良好的加工性能以及同uo2相容性好,尤其對高溫水、高溫水蒸氣也具有良好的抗腐蝕性能和足夠的熱強性,因此被廣泛用作水冷動力堆的包殼材料和堆芯結(jié)構(gòu)材料。隨著核動力反應(yīng)堆技術(shù)朝著提高燃料燃耗和延長換料周期方向發(fā)展,對燃料元件包殼用鋯合金提出了更高的要求。為此,許多國家都在研究開發(fā)新型鋯合金。
鋯合金的性能包括耐腐蝕性能、吸氫性能、力學(xué)性能、抗輻照生長性能和抗蠕變性能。其中,五大性能中最關(guān)鍵且最容易發(fā)生變化的性能為耐腐蝕性能。
影響鋯合金耐腐蝕性能的因素包括:合金成分、熱加工工藝、第二相、氧化物類型、晶粒形貌和水化學(xué)等。鋯合金腐蝕的同時會釋放出一定量的氫,反應(yīng)中產(chǎn)生的氫一部分被包殼吸收,吸收的氫量與腐蝕時理論放氫量之比稱之為吸氫分?jǐn)?shù)。因此,鋯合金的耐腐蝕性能與吸氫性能之間存在比例關(guān)系,影響腐蝕的因素也會同時影響吸氫。
提高鋯合金耐腐蝕性能的途徑主要是改變合金成分和優(yōu)化加工工藝。
目前,鋯合金中可添加的合金元素雖然受到熱中子吸收截面大小的限制,但仍然形成了多種系列的鋯合金,概括起來主要有zr-sn系、zr-nb系和zr-sn-nb系三大類。zr-sn系主要有zr-2合金、zr-4合金和低錫zr-4合金等,它們均屬于第一代鋯合金。為了降低核電成本,提高燃料利用率,需要增大元件燃耗、提高冷卻劑溫度及冷卻劑中的鋰濃度等。這些措施均會使鋯合金包殼的水側(cè)腐蝕加重、吸氫量增加、促進(jìn)輻照生長、增大芯塊與包殼的相互作用以及內(nèi)壓升高等。雖然zr-2和zr-4合金使用很成功,但不能滿足高燃耗下的性能要求。例如日本壓水堆的元件燃耗由39000mwd/tu提高到48000mwd/tu時,包殼管由zr-4合金改為低錫zr-4合金,但后者不能滿足燃耗進(jìn)一步提高到55000mwd/tu的要求,為此又發(fā)展了新合金nda。與此相同,美國的zirlo、優(yōu)化zirlo,法國的m5合金,俄羅斯的e110、e635合金,韓國的hana合金,中國的n18、n36合金都是為了降低核電成本,更高地提高元件燃耗而發(fā)展的zr-nb系或zr-sn-nb系合金。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足,提出一種用于核反應(yīng)堆高溫環(huán)境中的鋯基合金。
用于核反應(yīng)堆高溫環(huán)境中的鋯基合金,以重量百分比計算,包括:sn:0.36~0.69%;nb:0.20~0.49%;fe:0.21~0.40%;o:0.10~0.20%;單獨添加0.01~0.09%cu或復(fù)合添加0.01~0.09%cu和0.01~0.20%v;余量為包含雜質(zhì)的至少98%的鋯。
優(yōu)選地,用于核反應(yīng)堆高溫環(huán)境中的鋯基合金,以重量百分比計算,包括:sn:0.36~0.69%;nb:0.20~0.49%;fe:0.21~0.40%;o:0.10~0.20%,cu:0.01~0.09%,余量為包含雜質(zhì)的至少98%的鋯。
優(yōu)選地,用于核反應(yīng)堆高溫環(huán)境中的鋯基合金,以重量百分比計算,包括:sn:0.36~0.50%;nb:0.20~0.49%;fe:0.21~0.40%;o:0.10~0.20%,cu:0.01~0.09%,余量為包含雜質(zhì)的至少98%的鋯。
優(yōu)選地,用于核反應(yīng)堆高溫環(huán)境中的鋯基合金,以重量百分比計算,包括:sn:0.50~0.69%;nb:0.20~0.49%;fe:0.21~0.40%;o:0.10~0.20%,cu:0.01~0.09%,余量為包含雜質(zhì)的至少98%的鋯。
優(yōu)選地,用于核反應(yīng)堆高溫環(huán)境中的鋯基合金,以重量百分比計算,包括:sn:0.36~0.69%;nb:0.20~0.49%;fe:0.21~0.40%;o:0.10~0.20%,cu:0.01~0.09%,v:0.01~0.20%,余量為包含雜質(zhì)的至少98%的鋯。
優(yōu)選地,用于核反應(yīng)堆高溫環(huán)境中的鋯基合金,以重量百分比計算,包括:sn:0.36~0.50%;nb:0.20~0.49%;fe:0.21~0.40%;o:0.10~0.20%,cu:0.01~0.09%,v:0.01~0.20%,余量為包含雜質(zhì)的至少98%的鋯。
優(yōu)選地,用于核反應(yīng)堆高溫環(huán)境中的鋯基合金,以重量百分比計算,包括:sn:0.50~0.69%;nb:0.20~0.49%;fe:0.21~0.40%;o:0.10~0.20%,cu:0.01~0.09%,v:0.01~0.20%,余量為包含雜質(zhì)的至少98%的鋯。
與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明具有以下有益效果:
本發(fā)明提供的用于核反應(yīng)堆高溫環(huán)境中的鋯基合金,具有優(yōu)良的耐腐蝕性能,該合金與現(xiàn)有技術(shù)的zirlo合金相比,在高溫純水和高溫含鋰水中具有更為優(yōu)異的耐腐蝕性能,適用于核反應(yīng)堆較高燃耗下的燃料棒包殼材料、格架條帶及結(jié)構(gòu)件的耐腐蝕鋯合金:
1)合金設(shè)計的特點在于保持較低的sn含量、接近或略高于鋯合金基體中飽和固溶含量的nb含量和較高的fe含量,同時添加少量特色合金元素cu或復(fù)合添加cu和v元素,限制添加cu和v的總量不大于0.20%,并考慮cu和v元素之間的匹配來提高鋯合金的耐腐蝕性能和吸氫性能,同時還可以提高合金的力學(xué)性能、抗輻照生長和抗輻照蠕變性能。
2)本發(fā)明的鋯基合金添加0.36%~0.69%的sn元素,是充分考慮了耐腐蝕性能和抗輻照蠕變性能之間的平衡,以使本發(fā)明的鋯基合金兼具優(yōu)異的耐腐蝕性能和抗輻照蠕變性能。另外,本發(fā)明的鋯基合金根據(jù)添加的sn元素的含量,可劃分為兩類,一類添加0.36~0.50%的sn,這類合金由于sn含量較低,因此其耐腐蝕性能更好些,而另一類添加0.50~0.69%的sn,這類合金由于sn含量稍高,因此其抗輻照蠕變性能更好些。
3)本發(fā)明添加0.20%~0.49%的nb元素,當(dāng)合金中含有sn,降低合金中的nb含量可以提高其在高溫蒸汽中的耐腐蝕性能。
4)本發(fā)明添加0.21%~0.40%的fe元素,可以彌補合金由于sn含量和nb含量降低導(dǎo)致力學(xué)性能下降的缺點,同時提高合金的吸氫性能、耐腐蝕性能和抗輻照生長性能。
5)在鋯合金中添加o對降低輻照蠕變的功能更大,因此我們在鋯合金中加入較多的o對提高蠕變性能是更好的。它也能提高鋯合金的強度和抗輻照生長性能,但o含量過高不利于鋯合金的加工,所以o含量控制在0.10~0.20%的水平。
6)在改善合金的耐腐蝕性能方面,含nb鋯合金中加cu比加其他合金元素更有效。但過多的cu元素,會使鋯合金中第二相的尺寸粗大,所以cu含量限制在較低的0.01~0.09%水平。
7)v有很高的氧親和力,因此加v是必要的。含有v的第二相顆粒穩(wěn)定,能減少氧化膜的應(yīng)力和裂紋,含v的第二相形成四方晶體的氧化鋯是穩(wěn)定的,因此使鋯合金的耐腐蝕性能好。v的加入可減少合金的吸氫量,基于合金低的腐蝕速率和低的吸氫量,則促使合金有低的輻照生長,這也將促使燃料組件燃耗的提高。但v含量過高會降低鋯合金在高溫蒸汽中的耐腐蝕性能,因此v含量限制在較低的0.01~0.20%水平。
8)使用傳統(tǒng)工藝對鋯合金進(jìn)行加工,但冷軋后采用低溫中間退火和低溫最終退火,析出細(xì)小的第二相顆粒、降低基體中的合金元素含量及增加第二相的數(shù)量,從而提高鋯合金的耐腐蝕性能。
本發(fā)明提供的用于核反應(yīng)堆高溫環(huán)境中的鋯基合金,提高了現(xiàn)有燃料組件燃料棒包殼鋯合金的耐腐蝕性能和吸氫性能,同時兼顧拉伸性能、蠕變性能和輻照生長性能。
附圖說明
圖1為本發(fā)明鋯合金采用低溫退火工藝加工后與參考zirlo合金在360℃/18.6mpa純水中的腐蝕增重曲線。
圖2為本發(fā)明鋯合金采用低溫退火工藝加工后與參考zirlo合金在360℃/18.6mpa/0.01mol/llioh水溶液中的腐蝕增重曲線。
具體實施方式
為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂,下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
用于核反應(yīng)堆高溫環(huán)境中的鋯基合金,以重量百分比計算,包括:sn:0.36~0.69%;nb:0.20~0.49%;fe:0.21~0.40%;o:0.10~0.20%;單獨添加0.01~0.09%cu或復(fù)合添加0.01~0.09%cu和0.01~0.20%v;余量為包含雜質(zhì)的至少98%的鋯。
兩個實施例與對比zirlo合金的成分見表1。
表1
其余雜質(zhì)含量符合目前核用鋯合金的標(biāo)準(zhǔn),對腐蝕性能有害的c、n雜質(zhì)元素作了更嚴(yán)格的控制,c含量小于120μg/g,n含量小于80μg/g。
本發(fā)明實施例的制備過程和步驟如下:
海綿鋯+中間合金熔煉得到一次鑄錠→第二次真空熔煉→鍛造→第三次真空熔煉得到成品鑄錠→鍛造(1000℃/1h)→β水淬(1050℃/30min,淬火速率大于50℃/s)→熱軋5-6次(650℃/50min,回火10min)→真空退火(550℃/4h)→一次冷軋→真空退火(550℃/4h)→二次冷軋→真空退火(550℃/4h)→三次冷軋→真空退火(550℃/4h)→最終冷軋→最終真空退火(550℃/5h)。
將按上述工藝制備的兩種新鋯合金材料和參考zirlo合金樣品放入高壓釜中,在360℃/18.6mpa純水和360℃/18.6mpa/0.01mol/llioh水溶液中進(jìn)行腐蝕試驗,考察它們的腐蝕行為。腐蝕增重曲線如附圖1和附圖2所示。從附圖1可以看出:在360℃/18.6mpa純水中,隨腐蝕時間的延長,同時添加cu和v的實施例1合金和添加cu的實施例2合金的腐蝕增重明顯低于現(xiàn)有技術(shù)的zirlo合金,腐蝕到300d時,實施例1合金的腐蝕增重比zirlo合金的腐蝕增重降低了30%,實施例2合金的腐蝕增重比zirlo合金的腐蝕增重降低了30%;從附圖2可以看出:在360℃/18.6mpa/0.01mol/llioh水溶液中,隨腐蝕時間的延長,同時添加cu和v的實施例1合金和添加cu的實施例2合金的腐蝕增重明顯低于現(xiàn)有技術(shù)的zirlo合金,腐蝕到300d時,實施例1合金的腐蝕增重比zirlo合金的腐蝕增重降低了45%,實施例2合金的腐蝕增重比zirlo合金的腐蝕增重降低了36%。這些結(jié)果說明本發(fā)明提供的鋯合金的耐腐蝕性能比現(xiàn)有技術(shù)的zirlo合金在高溫純水和高溫含鋰水中具有更為優(yōu)異的耐腐蝕性能。
本發(fā)明實施例中的特點是:1)在zr-sn-nb-fe合金成分的基礎(chǔ)上同時添加合金元素cu和v或單獨添加cu。2)坯材在冷軋后采用低溫中間退火和低溫最終退火,析出細(xì)小的第二相顆粒、降低基體中的合金元素含量及增加第二相的數(shù)量,從而提高鋯合金的耐腐蝕性能。
由此可知,本發(fā)明實施例具有以下有益效果:
本發(fā)明實施例提供的用于核反應(yīng)堆高溫環(huán)境中的鋯基合金,具有優(yōu)良的耐腐蝕性能,該合金與現(xiàn)有技術(shù)的zirlo合金相比,在高溫純水和高溫含鋰水中具有更為優(yōu)異的耐腐蝕性能,適用于核反應(yīng)堆較高燃耗下的燃料棒包殼材料、格架條帶及結(jié)構(gòu)件的耐腐蝕鋯合金:
1)合金設(shè)計的特點在于保持較低的sn含量、接近或略高于鋯合金基體中飽和固溶含量的nb含量和較高的fe含量,同時添加少量特色合金元素cu或復(fù)合添加cu和v元素,限制添加cu和v的總量不大于0.20%,并考慮cu和v元素之間的匹配來提高鋯合金的耐腐蝕性能和吸氫性能,同時還可以提高合金的力學(xué)性能、抗輻照生長和抗輻照蠕變性能。
2)本發(fā)明實施例的鋯基合金添加0.36%~0.69%的sn元素,是充分考慮了耐腐蝕性能和抗輻照蠕變性能之間的平衡,以使本發(fā)明的鋯基合金兼具優(yōu)異的耐腐蝕性能和抗輻照蠕變性能。另外,本發(fā)明的鋯基合金根據(jù)添加的sn元素的含量,可劃分為兩類,一類添加0.36~0.50%的sn,這類合金由于sn含量較低,因此其耐腐蝕性能更好些,而另一類添加0.50~0.69%的sn,這類合金由于sn含量稍高,因此其抗輻照蠕變性能更好些。
3)本發(fā)明實施例添加0.20%~0.49%的nb元素,當(dāng)合金中含有sn,降低合金中的nb含量可以提高其在高溫蒸汽中的耐腐蝕性能。
4)本發(fā)明實施例添加0.21%~0.40%的fe元素,可以彌補合金由于sn含量和nb含量降低導(dǎo)致力學(xué)性能下降的缺點,同時提高合金的吸氫性能、耐腐蝕性能和抗輻照生長性能。
5)在鋯合金中添加o對降低輻照蠕變的功能更大,因此我們在鋯合金中加入較多的o對提高蠕變性能是更好的。它也能提高鋯合金的強度和抗輻照生長性能,但o含量過高不利于鋯合金的加工,所以o含量控制在0.10~0.20%的水平。
6)在改善合金的耐腐蝕性能方面,含nb鋯合金中加cu比加其他合金元素更有效。但過多的cu元素,會使鋯合金中第二相的尺寸粗大,所以cu含量限制在較低的0.01~0.09%水平。
7)v有很高的氧親和力,因此加v是必要的。含有v的第二相顆粒穩(wěn)定,能減少氧化膜的應(yīng)力和裂紋,含v的第二相形成四方晶體的氧化鋯是穩(wěn)定的,因此使鋯合金的耐腐蝕性能好。v的加入可減少合金的吸氫量,基于合金低的腐蝕速率和低的吸氫量,則促使合金有低的輻照生長,這也將促使燃料組件燃耗的提高。但v含量過高會降低鋯合金在高溫蒸汽中的耐腐蝕性能,因此v含量限制在較低的0.01~0.20%水平。
8)使用傳統(tǒng)工藝對鋯合金進(jìn)行加工,但冷軋后采用低溫中間退火和低溫最終退火,析出細(xì)小的第二相顆粒、降低基體中的合金元素含量及增加第二相的數(shù)量,從而提高鋯合金的耐腐蝕性能。
本發(fā)明實施例提供的用于核反應(yīng)堆高溫環(huán)境中的鋯基合金,提高了現(xiàn)有燃料組件燃料棒包殼鋯合金的耐腐蝕性能和吸氫性能,同時兼顧拉伸性能、蠕變性能和輻照生長性能。
本說明書中各個實施例采用遞進(jìn)的方式描述,每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處,各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。對于實施例公開的系統(tǒng)而言,由于與實施例公開的方法相對應(yīng),所以描述的比較簡單,相關(guān)之處參見方法部分說明即可。
本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對每個特定的應(yīng)用來使用不同方法來實現(xiàn)所描述的功能,但是這種實現(xiàn)不應(yīng)認(rèn)為超出本發(fā)明的范圍。
顯然,本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對發(fā)明進(jìn)行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣,倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi),則本發(fā)明也意圖包括這些改動和變型在內(nèi)。