CN108220688B - 高抗核辐射的核场测温用热电偶负极材料及制备方法 - Google Patents

高抗核辐射的核场测温用热电偶负极材料及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高抗核辐射的核场测温用热电偶负极材料及制备方法，该材料各组分的重量百分含量为：Al：1.50～2.70%；Si:1.51～2.40%；Fe：0.6～1.5%；Nb：0.1～0.6%；Cu≤0.015%；B≤0.01%；C≤0.03%，Ni为余量。本发明所述材料具有耐辐照性能优良稳定性好、价格低廉的优点。

Description

高抗核辐射的核场测温用热电偶负极材料及制备方法
技术领域
本发明涉及一种测温材料，特别涉及一种高抗核辐射的核场测温用热电偶负极材料及制备方法。
背景技术
随着能源的大量需求，核电得到了迅速发展，对核安全也提出了越来越高的要求，核反应堆堆芯、一回路及二回路等的温度的稳定测量及控制显得尤为重要。核反应堆堆芯、一回路及二回路测温用通常采用铂电阻进行测温，或者采用由镍铬合金和镍铝合金构成的热电偶测温材料进行测温。然而，铂电阻温度计价格昂贵，制作成本高昂；而镍铬-镍铝中的负极镍铝中，含有Co、Mn等合金元素，Co含量约0.6~1.2%；Mn含量1.80~2.7%。Co是有同位素的元素，而且Co的热中子俘获截面积（34.8b）大，在核场中子的辐照下，热电极材料中Co会变成不稳定的同位素而嬗变成其它元素，使材料化学成分发生变化，从而导致热电性能变化。而含Mn的材料在核场中子的辐照下会析出富Mn的沉淀相，使合金脆化，甚至断裂，导致合金可靠性大大下降。因此，使用镍铬-镍铝的热电偶进行核场长时间稳定可靠测温，是不理想的。同时作为核场测温系统的铠装热电偶主要采用进口产品，还有成本高、维护困难等缺点。
因此，提高热电偶负极合金的抗核辐照稳定性，保持丝材热电动势稳定性，提高K型热电偶的核场测温可靠性，满足热电偶核场稳定可靠测温要求具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的就是针对现有核场测温用热电偶材料的不足，提供一种高抗核辐射的核场测温用热电偶负极材料及制备方法。所述材料具有耐辐照性能优良稳定性好、价格低廉的优点。
为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：
高抗核辐射的核场测温用热电偶负极材料，该材料各组分的重量百分含量为：
Al：1.50～2.70%；Si: 1.51～2.40%； Fe：0.6～1.5%；Nb：0.1～0.6%；Cu≤0.015%；B≤0.01%； C≤0.03%， Ni为余量。
较好的技术方案是，该材料各组分的重量百分含量为：
Al：1.55～2.65%；Si: 1.55～2.30%； Fe：0.6～1.4%；Nb：0.1～0.6%；Cu≤0.015%；B≤0.01%； C≤0.03%， Ni为余量。
上述材料中Cu+B+ C的总量不超过0.04%。
高抗核辐射的核场测温用热电偶负极材料的制备方法，有以下步骤：
1）真空感应熔炼：
按上述材料的配比称取各组分，熔化，真空精炼5~35分钟；搅拌，调温至约1510℃浇注，得到铸锭；
2）锻造：
铸锭加热至900～1200℃，保温1～3h，锻造成方坯；
3）热轧：
将方坯，加热至900～1200℃，保温1～3h，热轧成棒材；
4）拉拔减径：
将棒材拉拔减径，得到线材；
5）热处理：
步骤d）所述的线材在保护气氛或真空条件下，950～1250±5℃下保温1～10小时。
步骤1）所述真空的真空度≥0.1Pa。
步骤2）所述方坯的参数为45mm×45mm。
步骤3）所述棒材的直径为φ8～φ16mm。
步骤4）所述线材的直径为φ0.02～φ8mm。
步骤5）所述保护气氛为氢气。
本发明合金中主要的合金化元素为Al、Si，它们的中子俘获截面积小（Al=0.241b、Si=0.16b），辐照稳定性好，可调整合金的热电特性值，增加抗氧化性和稳定性。控制Al：1.50～2.70%；Si: 1.51～2.40%，若当Al、Si过高则合金的热电动势过低，其热电动势会偏离K型热电偶负极的热电动势允许偏差；若Al、Si过低，则合金的热电动势过高，其热电动势会高于K型热电偶负极的热电动势允许偏差。
本合金不含核辐照不稳定元素Co，因此没有经辐照后易发生嬗变的其它元素（如：Co的同位素等）。
合金中也不含核辐照引起脆性的元素Mn元素，合金的可靠性好。
此外，本发明选用含杂质元素C 、S、P、Cu非常低的高纯净的Ni、Si、Al等原材料作为合金熔炼的原料，其次通过真空冶炼的熔炼工艺，严格控制材料中微量的S、P、Cu等，可以大大降低了合金中的S、P杂质和C 、Cu、B等有害元素的含量。
铁、铌元素可提高热稳定性，适量的铁、铌 （Fe：0.6～1.5%；Nb：0.1～0.6%）可改善合金的热稳定性，过高的铁、铌则会降低合金的热电动势，使之偏离其热电动势的允许偏差，过少则改善热稳定性效果差。
本发明所述材料（合金）的主要性能及特点如下：
1.合金能在核场下稳定测温，在累积4.2*1020（nvt）的中子辐照后，测温示值变化不大于±1.1℃。
2. 用本合金组成的核场测温热电偶，未含有贵重金属元素，其成本约为核场铂电阻的二十分之一，经济效益显著。
所述本发明的核场测温用热电偶材料抗辐照稳定性优良、成本低廉等优点，可广泛应用于核电机组设备和测量控制仪表。
具体实施方式
实施例1
高抗核辐射的核场测温用热电偶负极材料各组分的重量百分含量为：
Al：1. 7%；Si: 2.23%； Fe：0.95%；Nb：0.36%； Ni为余量。
核场测温用热电偶材料的制备方法，有以下步骤：
a）真空感应熔炼：
按上述材料材的配比称取各个组分，分别进行熔化，真空度优于0.1Pa条件下，真空精炼5~35分钟；搅拌，调温至约1510℃浇注，得到铸锭；
b）锻造：
铸锭加热至900～1200℃，保温1～3h，锻造加工至45mm*45mm方坯；
c）热轧：
将锻后的负极合金材料，加热至900～1200℃，保温1～3h，热轧加工至φ8～φ16mm；
d）拉拔减径：
将热轧后的合金材料拉拔减径，得到φ0.02～φ8mm线材；
e）热处理：
步骤d）所述的线材置于氢气保护炉或真空炉中，950～1250±5℃下保温1～10小时。
所得材料（合金）的主要性能如下：
合金能在核场下稳定测温，在累积4.2*1020（nvt）的中子辐照后，测温示值变化不大于±1.1℃。
实施例2
高抗核辐射的核场测温用热电偶负极材料各组分的重量百分含量为：
Al：2.51%；Si: 1.84%； Fe：1.17%；Nb：0.49%； Ni为余量。
制备方法同实施例1。
所得材料（合金）的主要性能如下：
合金能在核场下稳定测温，在累积4.2*1020（nvt）的中子辐照后，测温示值变化不大于±1.1℃。
实施例3
高抗核辐射的核场测温用热电偶负极材料各组分的重量百分含量为：
Al：2.16%；Si: 1.97%； Fe：1.37%；Nb：0.19%； Ni为余量。
制备方法同实施例1。
所得材料（合金）的主要性能如下：
合金能在核场下稳定测温，在累积4.2*1020（nvt）的中子辐照后，测温示值变化不大于±1.1℃。

Claims (9)

1.一种高抗核辐射的核场测温用热电偶负极材料，其特征在于：该材料各组分的重量百分含量为：
Al：1.50～2.70%；Si: 1.51～2.40%； Fe：0.6～1.5%；Nb：0.1～0.6%；Cu≤0.015%；B≤0.01%； C≤0.03%， Ni为余量。
2.根据权利要求1所述的高抗核辐射的核场测温用热电偶负极材料，其特征在于，该材料各组分的重量百分含量为：
Al：1.55～2.65%；Si: 1.55～2.30%； Fe：0.6～1.4%；Nb：0.1～0.6%；Cu≤0.015%；B≤0.01%； C≤0.03%， Ni为余量。
3.根据权利要求1或2所述的高抗核辐射的核场测温用热电偶负极材料，其特征在于：所述Cu+B+ C的总量不超过0.04%。
4.高抗核辐射的核场测温用热电偶负极材料的制备方法，其特征在于，有以下步骤：
真空感应熔炼：
按权利要求1或2所述材料的配比称取各组分，熔化，真空精炼5~35分钟；搅拌，调温至约1510℃浇注，得到铸锭；
2）锻造：
铸锭加热至900～1200℃，保温1～3h，锻造成方坯；
3）热轧：
将方坯，加热至900～1200℃，保温1～3h，热轧成棒材；
4）拉拔减径：
将棒材拉拔减径，得到线材；
5）热处理：
步骤4）所述的线材在保护气氛或真空条件下，950～1250±5℃下保温1～10小时。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤1）所述真空的真空度≥0.1Pa。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤2）所述方坯的参数为45mm×45mm。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤3）所述棒材的直径为φ8～φ16mm。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤4）所述线材的直径为φ0.02～φ8mm。
9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤5）所述保护气氛为氢气。
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