專利名稱:制造由鋯基合金形成的薄元件的方法及其生產(chǎn)的帶的制作方法
本發(fā)明涉及制造由鋯基合金形成的薄元件的方法，而這些薄元件用在冷水核反應堆中，并且在這些之中，尤其地用于加壓水核反應堆中。
本發(fā)明的一個特別重要的應用在于制造這些薄片，這些片被切割成形成核燃料組件主干的結構元件，并且尤其形成用于燃料棒的墊片網(wǎng)格帶。
這種結構元件同時需要能較好地抵抗由高溫液狀介質(zhì)構成的冷卻劑、降低沿該元件的較大尺寸的方向進行自由生長并且在元件受到應力作用的情況下減少蠕變。此外，制造過程一定不能導致高廢品率。
尤其地，本發(fā)明的目的是提供一種尤其避免βZr相存在來實現(xiàn)上述目的的方法，而該βZr相從氧化的觀點來看具有不良影響。其次，本發(fā)明的目的還提供了一種應用鋯基合金的方法，而該合金還用來形成復層管子，而這些管子不只是與液狀介質(zhì)接觸，而且還與燃料接觸。
公知的管子(EP-A-0720177)由鋯基合金形成，而該鋯基合金還包括50到250ppm鐵、0.8到1.3wt％鈮、小于1600ppm的氧、小于200ppm的碳及小于120ppm的硅。這種合金被拉制出來，然后在至少四個軋制道次(在管子的情況下，術語“軋制”表示心軸上方的通道，坯料由成形軋輥壓靠在該心軸上)下進行冷壓，而在560℃和620℃之間進行中間熱處理。
在這些相對較低的溫度下，從防腐蝕的角度講是有利的，但是對于將要進行下一道次而言所需的合金再結晶需要較長的時間。
本發(fā)明的方法通過可以在連續(xù)生產(chǎn)線上采用的工藝來生產(chǎn)出扁平結構元件。根據(jù)這個工藝，形成了由鋯基合金形成的坯料。除了不可避免的雜質(zhì)之外，所述合金按重量百分比計還包括0.8到1.3％的鈮、500到2000ppm的氧及5到35ppm的硫，并且任選地，具有總含量小于0.25％的Fe、Cr和V及含量小于300ppm的錫。由β硬化工藝和熱軋道次所形成的坯料至少在具有中間退火熱處理的三個冷軋道次中進行軋制，在第一冷軋道次之前的、這些中間熱處理或者預先熱處理中的一個熱處理在低于600℃的溫度處進行了至少兩個小時長的時間，并且在較長處理之后的、所有優(yōu)選的熱處理通常在610℃和620℃之間的溫度處進行至多15分鐘、通常2到10分鐘。
常常使用1100到1800ppm氧和10到35ppm的硫。
至多15分鐘的“短”處理的一個優(yōu)點是，它們可以在連續(xù)爐內(nèi)進行。但是，它們可以處于這樣的溫度該溫度引起βZr相的出現(xiàn)，因為這個相可以通過“長”處理來消除。
在實施的第一方法中，冷軋道次的數(shù)目只有三個。第一中間熱處理處于超過620℃的溫度處，從而引起βZr相的出現(xiàn)，并且在短時間下，適合于使用連續(xù)爐。另一方面，緊接在最后軋制之前的處理處于低于600℃的低溫處，并且在超過2小時的時間下，它可以在罩形爐中進行。這操作實際上消除了所有的βZr相。低于560℃的處理尤其可以進行超過5小時的時間。
在實施的第二個方法中，進行四個冷軋道次，其中，在可以導致βZr相出現(xiàn)的溫度處在頭兩個或者頭三個軋制道次之間有較短的中間退火處理。然后，根據(jù)情況，在最后或者倒數(shù)第二的軋制之前，βZr相在低于600℃的溫度處通過較長的退火處理(超過2小時)來消除。在低于560℃下超過5小時的退火操作可以達到相同的結果。
在另一種情況下，該方法包括四個(或者更多的)冷軋道次，并且緊接在熱軋之后，在低于600℃(常常小于560℃)的溫度處進行長時間處理。所有其后的退火處理在低于620℃、時間較短(小于15分鐘)的條件下并且在連續(xù)爐內(nèi)進行。
在所有情況下，在足夠低以致能防止βZr相出現(xiàn)的溫度處、也就是說低于620℃處進行最后的再結晶退火處理。
因此而得到的薄元件構成了片，在使用之前，該片不再進行高溫冶金處理，但是可以簡單地進行平整、酸洗、檢查，及最后進行切割工作。
這種制造方法可以通過在高溫下在連續(xù)退火爐中進行所有的較短熱處理來實現(xiàn)。例如，在罩形爐內(nèi)，在520℃和580℃之間，消除βZr相的退火處理只需要幾個小時的時間、典型地需要5到15小時。
所有熱處理在惰性氣氛中或者在真空中進行。
具有較小含量的硫的存在改善了液狀介質(zhì)的熱蠕變。在1000和1600ppm之間的氧含量是有利的。它可以通過慎重地、可控制地加入鋯來調(diào)整。
通過下面過程使所使用的合金有利于形成復層該過程涉及在皮爾格軋機中的幾個軋制道次，這時在低到足夠不能形成βZr相出現(xiàn)的溫度處具有較長的中間熱處理。
相同的合金含有5到35ppm(最好是10到35ppm)的硫，因此可以由相同成分的鑄錠來形成兩個平元件，所述平元件由片和復層管子或者核燃料組件導向管切割而成。
在閱讀借助于非限制性例子給出的、下面所實施的特定方法的描述時，上面特征和其它特征變得更加清楚、顯而易見。該描述參照附圖進行，在附圖中
圖1到3是用來制造用于核燃料組件網(wǎng)格帶的片的流程圖；圖4示意性地示出了網(wǎng)格帶的片斷，而網(wǎng)格帶可以根據(jù)本發(fā)明來生產(chǎn)。
用來形成0.4mm到0.6mm厚的片的工藝步驟圖解在附圖中，該工藝通過切割和壓力拉拔(press drawing)來形成具有開口的網(wǎng)格帶，這些開口用來安放彈簧，例如用來安放圖4所示的那種彈簧。但是，這些彈簧由這些帶的拉制部分來形成。
制造過程首先包括鑄造具有所需要成分的鑄錠。在一些情況下，在鑄錠內(nèi)產(chǎn)生了不均勻性，部分鑄錠、特別是端部、有時是邊緣部分所具有的含量超出了允許范圍。在這種情況下，相應部分借助于切割來除去。
所研究的產(chǎn)品形成一個特定例子，從這個例子得到1.01和1.03％之間的含鈮量、15和28ppm之間的含硫量及1280到1390ppm的含氧量。其它元素表示為雜質(zhì)，它們的含量小于下面值
從鑄錠開始，厚扁材(piece bar)通過軋制來制造，該扁材的厚度在所研究的情況下是100mm。軋輥道次10是熱的進行、通常是在930和960℃之間，使該扁材達到30mm厚。軋制之后，該產(chǎn)品通常在1000℃和1200℃之間的溫度下進行β硬化操作12，從而形成坯料。然后，該坯料進入典型地位于770和790℃之間的、新的熱軋道次14。
所有這些操作對于實施本發(fā)明的所有方法是共有的。
例子1(圖1)在這種情況下，三個冷軋道次完成了。熱軋道次14后面有兩個第一冷軋道次161和162，在這兩個第一冷軋道次之間在連續(xù)的退火爐內(nèi)進行退火操作181，該退火爐只允許保溫時間不超過15分鐘，通常保溫時間大約為2到10分鐘。這需要690℃和710℃之間的高溫-這就是說，超過α/α，β的轉(zhuǎn)變溫度。到達這些高溫導致出現(xiàn)βZr相，隨后，βZr相幾乎完全消失，從而提高了薄片的抗氧化能力。
在大約700℃進行退火操作181大約4分鐘時間。
另一方面，在罩式爐內(nèi)進行消除βZr相的退火操作20為10到12小時，在550℃的標定溫度時，脫線。
最后的冷軋道次163的后面有再結晶退火操作24，該再結晶退火操作24在620℃以下進行，從而不使βZr相出現(xiàn)明顯數(shù)量。實際上，該退火操作在連續(xù)的爐內(nèi)在610到620℃處進行2到10分鐘的保溫時間。
作為退火處理24的結果所得到的片可以使用而不需要任何進一步熱處理。該片進行通常的酸洗和檢查工作，如果需要，然后切割和拉拔，從而形成彈簧，或者把它放置在由另一種材料如鎳基合金所形成的配屬彈簧中。
例子2(圖2)例子2的方法包括四個冷軋道次。它用來形成厚度為0.425到0.6mm的片。
對于兩種理想厚度而言，進行四個冷軋道次160、161、162和163。在700℃進行中間的連續(xù)退火工作180和181。但是，這時，在低溫(小于560℃)進行較長熱處理26放在最后兩個冷軋道次162和163之前。熱處理182低于620℃、例如在標定溫度610℃處進行幾分鐘。最后的再結晶退火操作24在連續(xù)爐內(nèi)在615℃處也已進行了幾分鐘。
在圖2中用A所表示的所有工作對于兩個理想的最后厚度來講是相同的。下面的冷軋道次用合適的變形比來形成。
在變型中，在冷軋道次162后面有退火工藝，該退火工藝幾乎完全消除βZr相。為了實現(xiàn)這個，退火操作在620℃以下實現(xiàn)。在520℃到580℃處退火5到15小時可以產(chǎn)生較好的結果。
上面過程也可以改變。冷軋道次的數(shù)目可以增加。只要這個時間較長，那么消除βZr相的退火操作26可以在較低溫度下進行。
例子3(圖3)在另一個實施方法中，設置了四個冷軋道次。但是，消除βZr相的、較長時間的低溫退火處理28在冷軋道次之前。在這種情況下，最好使用下面溫度(標號是圖3的)熱軋道次14770-790℃消除βZr相的、較長的退火28在550℃(低于相轉(zhuǎn)變溫度)下進行10到12小時連續(xù)退火操作180、181、182以0.6到1m/min的速度在610℃下進行，大約3到4分鐘的時間。
退火24在連續(xù)爐內(nèi)以615℃進行幾分鐘。
通過本發(fā)明的方法所得到的這些片進行冶金檢查和測試。
金屬間析出物細小且分布均勻。電子顯微鏡檢查顯示了由于退火操作18所引起的一些成直線排列的βNb析出物。相反，βZr析出物作為痕跡而存在，并且被隔離。
0.425mm厚的片的測量Kearns系數(shù)在縱向軋向上是0.09、在橫向上是0.23及在垂直方向上是0.68它們與再結晶吉爾卡洛伊鋯錫合金4的非常相當。在射線下通過實驗來確定均勻腐蝕。
形成燃燒率為62GWd/t的氧化物的最大厚度保持小于27μm，小于由再結晶吉爾卡洛伊鋯錫合金4所形成的導向管和由吉爾卡洛伊鋯錫合金-4所形成的膨脹片上的。
在350℃測量的、通過該工藝制造的這些片的自由生長非常接近吉爾卡伊鋯錫合金4，最大大約為6×1020n/cm2的流量。大于這個值，可以觀察到飽和現(xiàn)象，因此對于25×1020n/cm2的流量而言，自由生長大約是吉爾卡洛伊鋯錫合金4的一半。
還非常明顯地改善了吉爾卡洛伊鋯錫合金4上的氫化，因為吸收的氫因子(hydrogen factor)幾乎減少了一半。
在希望使用相同合金來制造復層或者帶時，一方面，給合金中加入總量為0.03到0.25％的鐵是有利的，而在另一方面，加入鉻和釩中的至少一種。Fe/(Cr＋V)比至少為0.5是有利的。在含鋰的介質(zhì)中加入錫從而提高復層的強度是有用的。
可以知道，在制造循環(huán)的各種步驟中可以安排較長的熱處理，而唯一的條件是，在可以可靠地形成βZr相的溫度處沒有提供后處理。
權利要求
1.一種用來制造薄的平元件的方法，在該方法中，形成了由鋯基合金形成的坯料，除了不可避免的雜質(zhì)之外，所述合金按重量百分比計，還包括0.8到1.3％的鈮、500到2000ppm的氧及5到35ppm的硫，并且任選地，最多達0.25％的Fe＋Cr＋V及最多達300ppm的錫；進行β硬化操作和熱軋道次，從而形成坯料，該坯料至少在具有中間退火熱處理的三個冷軋道次中進行軋制，在第一冷軋道次之前的、這些中間熱處理或者預先熱處理中的一個在低于600℃的溫度處進行了至少兩個小時長的時間，并且在較長處理之后的、所有優(yōu)選的熱處理通常在620℃以下的溫度處進行至多15分鐘。
2.如權利要求
1所述的方法，其特征在于冷軋道次的數(shù)目是三個，第一熱處理處于超過620℃的溫度處，并且時間較短，而緊接在最后軋制道次之前的處理處于低于600℃的溫度處，并且時間超過2小時。
3.如權利要求
2所述的方法，其特征在于第一熱處理在690℃和710℃之間的溫度處進行不到15分鐘。
4.如權利要求
1所述的方法，其特征在于進行四個軋制道次，在頭兩個或者三個冷軋道次之前，在超過620℃的溫度處具有短的中間退火操作，從而導致βZr相出現(xiàn)，然后，根據(jù)情況，在最后軋制道次或者倒數(shù)第二的軋制道次之前，在低于600℃的溫度處，進行較長的超過2小時的退火工作。
5.如權利要求
1所述的方法，其特征在于它包括至少四個冷軋道次，并且緊接在熱軋之后，在低于600℃的溫度處進行長時間處理。
6.如前述權利要求
任一所述的方法，其特征在于在低于620℃的、足夠低以致不能出現(xiàn)βZr相的溫度處進行最后的再結晶退火操作。
7.如權利要求
6所述的方法，其特征在于在610℃和620℃之間最后的再結晶退火進行了2到10分鐘。
8.如前述權利要求
任一所述的方法，其特征在于在連續(xù)爐內(nèi)進行較短的退火操作。
9.如前述權利要求
任一所述的方法，其特征在于合金含有1100到1800ppm的氧和10到35ppm的硫。
10.如前述權利要求
任一所述的方法，其特征在于其中的一個熱處理在低于560℃的溫度下進行了至少5小時的長時間。
11.如前述權利要求
任一所述的方法，其特征在于緊接在最后軋制道次之前的處理是處于低于560℃的溫度處，并且進行了超過5小時的時間。
12.如前述權利要求
任一所述的方法，其特征在于鐵、鉻、釩和錫只存在于雜質(zhì)狀態(tài)中。
13.一種薄的核燃料組件網(wǎng)格帶，該帶可以被切割、拉拔成薄元件，該薄元件根據(jù)權利要求
1-12的任一所述方法來制造。
專利摘要
本發(fā)明涉及用來形成薄的平元件的方法,該方法包括:生產(chǎn)出鋯合金坯料,除了不可避免的雜質(zhì)之外,該合金還包括0.8到1.3%的鈮、1100到1800ppm的氧及10到35ppm的硫;進行β硬化和熱軋,從而形成坯料;及通過中間退火熱處理在坯料上面進行至少三個冷軋道次。其中一個中間熱處理在低于560℃的溫度處進行了至少5個小時的時間,并且在較長處理之后的、所有優(yōu)選的處理在低于620℃的溫度處進行了不超過15分鐘。
文檔編號G21C3/06GKCN1340199SQ00803832
公開日2002年3月13日 申請日期2000年2月14日
發(fā)明者耶蘇·迪茲, 杰拉德·布奈爾 申請人:法瑪通公司, Cezus公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan