CN110079718B - 一种核包壳材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种核包壳材料及其制备方法，核包壳材料的组成为Al15Fe10MoxNb40‑xSn15Zr20，其中x=0‑20；按照化学计量比准确称取原材料，铝和锡熔点较低易挥发，配料时增加其质量的3‑5%；将称取的原材料按照熔点从低到高依次放入铜坩埚中，抽真空，机械泵的真空度为5‑10Pa，分子泵真空度小于4×10‑3Pa，然后再充纯度为99.9999%的Ar气，重复两遍；进行电弧熔炼，待合金锭冷却后，将合金锭翻转，重新熔融，重复5次以上，得到核包壳合金材料；本发明核包壳合金材料具有较低的热中子吸收率和较好的耐腐蚀性能、较高的熔点，可以作为锆合金的替代品之一。

Description

一种核包壳材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种核包壳材料及其制备方法，属于核包壳材料设计技术领域。
背景技术
在所有可替代能源(水利发电、太阳能、风能、核能、潮汐能等)中，核电具有以下优点：①环境限制因素小、②发电效率高、③清洁无污染等。核电堆的分类：压水堆、沸水堆、快堆、气冷堆等，其中压水堆占全球核电机组的70％，占比最高，技术发展也最成熟。压水堆在运行过程中，堆芯的核燃料发生裂变发热，随后由冷却水将热量导出用于产生蒸汽发电，核燃料芯块内部的温度超过800℃，燃料芯块不能与冷却水直接触，需要有包壳隔开。所以核包壳材料内表面温度约为400℃，且与核裂变产物接触，受到高通量的质子、中子轰击，会产生高浓度的点缺陷，点缺陷的逐步积聚，形成位错环、空洞等缺陷簇，进而引发材料的肿胀、硬化、非晶化和脆化；外表面与高温高压水(280-320℃，10-16MPa)接触，面临冷却剂的冲刷、腐蚀以及氢脆。
现有锆合金包壳材料的在高温高压下，Zr+H2O→ZrO+H2，生成的H2具有爆炸危险；并且生成的氧化膜，随着腐蚀的增加，厚度不断增加、致密度下降，最终导致氧化膜局部剥落，剥落区域导热能力优于有氧化膜的区域，此处锆合金温度相比其他区域低了30℃，这个区域将成为锆合金包壳的“冷点”。Zr在高温高压下，α-Zr(HCP)转化为β-Zr(BCC)，β-Zr会对包壳材料的耐腐性能有害。
发明内容
本发明的目的提供一种核包壳材料，其组成为Al15Fe10MoxNb40-xSn15Zr20，其中x＝0-20。
本发明还提供所述核包壳材料的制备方法，具体步骤如下：
(1)按照化学计量比准确称取原材料，低熔点组元铝和锡易挥发，增加其配比质量的3-5％；
(2)将步骤(2)称取的原材料按照熔点从低到高依次放入铜坩埚中，关上阀门抽真空，机械泵的真空度为5-9Pa，分子泵真空度小于4×10-3Pa，然后再充纯度为99.9999％的Ar气，重复两遍；
(3)将步骤(2)充Ar气后的材料进行电弧熔炼，电流为180-240A，原材料全部熔化后，调整电流为60-80A，保持1-2分钟，这样能保证样品表面光滑，避免凹陷；
(4)待步骤(3)的合金锭冷却后，将合金锭翻转，按照步骤(3)的方法重新熔融，重复5次以上，保证合金混合均匀，观察合金锭形貌不变且表面光滑，得到核包壳合金材料。
步骤(1)原材料的纯度大于99.95％。
本发明的有益效果：
本发明核包壳材料具有高熔点耐腐蚀性能好且低的热中子吸收率，较好的耐腐蚀性能、较高的熔点，虽然其热中子吸收率稍高于核包壳材料锆合金，但也可以作为锆合金的替代品之一。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明制备成分均匀、高熔点、耐腐蚀、低中子吸收率的核包壳材料，根据核包壳材料的性能要求和热中子平均吸收率及热中子平均吸收率差，计算原子半径差、熵值、焓值、熔点和Ω，综合考虑所有因素之后，选取Al15Fe10MoxNb40-xSn15Zr20体系，下表1、2所示。
表1各种元素的基本信息
元素 Zr Nb Al Mo Sn Fe
原子半径 159 146 143 139 140.5 126
热中子吸收截面(b) 0.18 1.15 0.235 2.7 0.625 2.35
熔点(K) 2128 2750 933.5 2896 505 1808
沸点(K) 4650 5015 2740 4885 2543 3023
价电子浓度(VEC) 4 5 3 6 4 8
表2设计合金的性能参数
Figure GDA0002612669820000021
注：δ(％)为原子半径差的均方差；Tm(K)为合金熔点；ΔSmix为混合熵；ΔHmix为混合焓；
Figure GDA0002612669820000022
实施例1
一种核包壳材料，其组成为Al15Fe10Nb40Sn15Zr20，具体步骤如下：
(1)按照化学计量比准确称取原材料，原材料的纯度大于99.95％，低熔点组元铝和锡各多加其配比质量的3％；
(2)将步骤(2)称取的原材料按照熔点从低到高依次放入铜坩埚中，具体的顺序是，先将Fe放在最底层，然后再依次放入Al、Sn、Zr、Nb、Mo，Mo放在最上面，关上阀门抽真空，机械泵的真空度为5Pa，分子泵真空度小于4×10-3Pa，然后再充纯度为99.9999％的Ar气至0.05MPa，重复抽真空-充Ar气两遍；
(3)将步骤(2)充Ar气后的材料进行电弧熔炼，电流为180A，原材料全部熔化后，调整电流为60A，保持2分钟，这样能保证样品表面光滑，避免凹陷；
(4)待步骤(3)的合金锭冷却后，将合金锭翻转，按照步骤(3)的方法重新熔融，重复5次，保证合金混合均匀，观察合金锭形貌不变且表面光滑，得到核包壳合金材料。
实施例2
一种核包壳材料，其组成为Al15Fe10Mo5Nb35Sn15Zr20，具体步骤如下：
(1)按照化学计量比准确称取原材料，原材料的的纯度大于99.95％，低熔点组元铝和锡各增加其配比质量的3％；
(2)将步骤(2)称取的原材料按照熔点从低到高依次放入铜坩埚中，具体的顺序是，先将Fe放在最底层，然后再依次放入Al、Sn、Zr、Nb、Mo，Mo放在最上面，关上阀门抽真空，机械泵的真空度为8Pa，分子泵真空度小于4×10-3Pa，然后再充纯度为99.9999％的Ar气至0.05MPa，重复抽真空-充Ar气两遍；
(3)将步骤(2)充Ar气后的材料进行电弧熔炼，电流为200A，原材料全部熔化后，调整电流为70A，保持1.5分钟，这样能保证样品表面光滑，避免凹陷；
(4)待步骤(3)的合金锭冷却后，将合金锭翻转，按照步骤(3)的方法重新熔融，重复6次，保证合金混合均匀，观察合金锭形貌不变且表面光滑，得到核包壳合金材料。
实施例3
一种核包壳材料，其组成为Al15Fe10Mo10Nb30Sn15Zr20，具体步骤如下：
(1)按照化学计量比准确称取原材料，原材料的纯度大于99.95％，低熔点组元铝和锡各增加其配比质量的5％；
(2)将步骤(2)称取的原材料在Ar气气氛下按照熔点从低到高依次放入铜坩埚中，具体的顺序是，先将Fe放在最底层，然后再依次放入Al、Sn、Zr、Nb、Mo，Mo放在最上面，关上阀门抽真空，机械泵的真空度为8Pa，分子泵真空度小于4×10-3Pa，然后再充纯度为99.9999％的Ar气至0.05MPa，重复抽真空-充Ar气两遍；
(3)将步骤(2)充Ar气后的材料进行电弧熔炼，电流为240A，原材料全部熔化后，调整电流为80A，保持1分钟，这样能保证样品表面光滑，避免凹陷；
(4)待步骤(3)的合金锭冷却后，将合金锭翻转，按照步骤(3)的方法重新熔融，重复7次，保证合金混合均匀，观察合金锭形貌不变且表面光滑，得到核包壳合金材料。
实施例4
一种核包壳材料，其组成为Al15Fe10Mo15Nb25Sn15Zr20，具体步骤如下：
(1)按照化学计量比准确称取原材料，原材料的的纯度大于99.95％，低熔点组元铝和锡各增加其配比质量的4％；
(2)将步骤(2)称取的原材料按照熔点从低到高依次放入铜坩埚中，具体的顺序是，先将Fe放在最底层，然后再依次放入Al、Sn、Zr、Nb、Mo，Mo放在最上面，关上阀门抽真空，机械泵的真空度为8Pa，分子泵真空度小于4×10-3Pa，然后再充纯度为99.9999％的Ar至0.05MPa，重复抽真空-充Ar气两遍；
(3)将步骤(2)充Ar气后的材料进行电弧熔炼，电流为220A，原材料全部熔化后，调整电流为65A，保持2分钟，这样能保证样品表面光滑，避免凹陷；
(4)待步骤(3)的合金锭冷却后，将合金锭翻转，按照步骤(3)的方法重新熔融，重复7次，保证合金混合均匀，观察合金锭形貌不变且表面光滑，得到核包壳合金材料。
实施例5
一种核包壳材料，其组成为Al15Fe10Mo20Nb20Sn15Zr20，具体步骤如下：
(1)按照化学计量比准确称取原材料，原材料的的纯度大于99.95％，低熔点组元铝和锡各增加其配比质量的5％；
(2)将步骤(2)称取的原材料按照熔点从低到高依次放入铜坩埚中，具体的顺序是，先将Fe放在最底层，然后再依次放入Al、Sn、Zr、Nb、Mo，Mo放在最上面，关上阀门抽真空，机械泵的真空度为9Pa，分子泵真空度小于4×10-3Pa，然后再充纯度为99.9999％的Ar气至0.05MPa，重复抽真空-充Ar气两遍；
(3)将步骤(2)充Ar气后的材料进行电弧熔炼，电流为230A，原材料全部熔化后，调整电流为70A，保持2分钟，这样能保证样品表面光滑，避免凹陷；
(4)待步骤(3)的合金锭冷却后，将合金锭翻转，按照步骤(3)的方法重新熔融，重复5次，保证合金混合均匀，观察合金锭形貌不变且表面光滑，得到核包壳合金材料。
实施例1-5制备得到的核包壳合金材料的屈服强度为400-600MPa，材料硬度如下表3所示，材料硬度高，典型的锆合金Zr-4、M-5、Zirlo、E110、N18、N36、HANA-4、HANA-6室温下的屈服强度为400-600MPa，说明本发明得到的Al15Fe10MoxNb40-xSn15Zr20系列合金满足锆合金的要求。
表3材料力学性能检测结果
Figure GDA0002612669820000051

Claims (3)

1.一种核包壳材料，其特征在于，其组成为Al15Fe10MoxNb40-xSn15Zr20，其中x=0-20。
2.权利要求1所述核包壳材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
（1）按照化学计量比准确称取原材料，铝和锡多加其配比质量的3-5%；
（2）将步骤（1）称取的原材料按照熔点从低到高依次放入铜坩埚中，抽真空，机械泵的真空度为5-9Pa，分子泵真空度小于4×10-3Pa，然后再充纯度为99.9999%的Ar气，重复两遍；
（3）将步骤（2）的材料进行电弧熔炼，电流为180-240A，原材料全部熔化后，调整电流为60-80A，保持1-2分钟；
（4）待步骤（3）的合金锭冷却后，将合金锭翻转，按照步骤（3）的方法重新熔融，重复5次以上，得到核包壳材料。
3.根据权利要求2所述核包壳材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）原材料的纯度大于99.95%。
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