CN115745639A - 金属增强碳化硅包壳管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属增强碳化硅包壳管及其制造方法,金属增强碳化硅包壳管的制造方法包括以下步骤:S1、分别获得金属内管和SiCf/SiC复合管;S2、将所述金属内管插入所述SiCf/SiC复合管内;S3、对所述金属内管进行塑性变形处理,使所述金属内管与所述SiCf/SiC复合管紧密贴合,形成金属增强碳化硅包壳管。本发明通过在SiCf/SiC复合管内设置致密性高的金属内管,获得双层结构的包壳管,提高包壳管的气密性,降低裂变气体释放风险;以塑性变形方式实现金属内管和SiCf/SiC复合管的紧密贴合,有效减少金属内管与SiC界面副产物的产生,提高包壳可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及核燃料元件技术领域,尤其涉及一种金属增强碳化硅包壳管及其制造方法。
背景技术
碳化硅(SiC)具有高熔点、耐腐蚀、抗中子辐照、低中子吸收截面以及高温下与水反应产氢率低等特点,为了解决SiC固有脆性,可通过SiC纤维增强型SiC(SiCf/SiC)复合材料提高其韧性,因此,SiCf/SiC复合包壳有望取代现有Zr合金的新型包壳材料。
目前,SiC包壳材料制备方案为SiC纤维编织层与SiC单质层复合,主要包括SiC纤维编织层与外层SiC单质层复合的两层设计以及SiC纤维编织层与内外SiC单质层复合的三层结构设计,或者在以上设计基础上进一步在外层进行金属涂层。
具体地,SiC复合包壳的制备方法包括纳米浸渍瞬时液相(NITE)法、化学气相渗透(CVI)法、前驱体浸渍裂解(PIP)法以及反应浸渗(RI)法等,其中NITE法受到工艺限制,无法制备得到性能符合要求的米级SiC包壳材料;RI法制备得到的SiC复合包壳存在大量的残留Si,无法满足SiC包壳苛刻的服役要求;CVI法和PIP法制备的SiC复合包壳内部存在大量的孔洞缺陷。
为了解决以上问题,现有技术中采用在金属Zr管外部进行SiCf/SiC的复合,并且具有中间碳化硅界面层,而且需要在高温下完成制备,高温条件下将加剧SiC与Zr之间相互反应,对Zr管容易产生侵蚀,并且SiC与Zr界面层容易产生脆性副产物,从而降低其可靠性。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于,提供一种可靠性高的金属增强碳化硅包壳管及其制造方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:提供一种金属增强碳化硅包壳管的制造方法,包括以下步骤:
S1、分别获得金属内管和SiCf/SiC复合管;
S2、将所述金属内管插入所述SiCf/SiC复合管内;
S3、对所述金属内管进行塑性变形处理,使所述金属内管与所述SiCf/SiC复合管紧密贴合,形成金属增强碳化硅包壳管。
优选地,步骤S3中,所述塑性变形处理采用锥形模具涨环、内压扩径、拉拔成型方法中至少一种。
优选地,所述塑性变形处理的环境温度为500℃-800℃。
优选地,步骤S1中,所述SiCf/SiC复合管采用NITE工艺、CVI工艺、PIP工艺、RI工艺中至少一种制成。
优选地,所述金属内管的内径为7.4mm-7.9mm,外径为8.0mm-9.0mm;
所述SiCf/SiC复合管的内径为8.1mm-9.1mm,外径为9.5mm-10.0mm。
优选地,所述金属内管采用锆、铌、铁铬铝、不锈钢中至少一种制成。
优选地,所述SiCf/SiC复合管包括SiC纤维编织层、复合在所述SiC纤维编织层外侧的SiC单质外层。
优选地,所述SiCf/SiC复合管包括SiC纤维编织层、复合在所述SiC纤维编织层内侧的SiC单质内层、复合在所述SiC纤维编织层外侧的SiC单质外层。
优选地,金属增强碳化硅包壳管的制造方法还包括以下步骤:
S4、对所述金属增强碳化硅包壳管的两端进行精细磨削。
本发明还提供一种金属增强碳化硅包壳管,采用以上任一项所述的制造方法制得。
本发明还提供另一种金属增强碳化硅包壳管,包括金属内管和SiCf/SiC复合管;所述金属内管插设在所述SiCf/SiC复合管内,并且通过塑性变形与所述SiCf/SiC复合管的内壁面紧密贴合;
所述金属内管的内径为7.5mm-8.0mm,外径为8.1mm-9.4mm;所述SiCf/SiC复合管的外径为9.5mm-10.0mm;所述金属内管和SiCf/SiC复合管的长度一致。
本发明的有益效果:通过在SiCf/SiC复合管内设置致密性高的金属内管,获得双层结构的包壳管,提高包壳管的气密性,降低裂变气体释放风险;以塑性变形方式实现金属内管和SiCf/SiC复合管的紧密贴合,有效减少金属内管与SiC界面副产物的产生,提高包壳可靠性。
应用本发明的包壳管的核燃料元件在服役期间核燃料芯块发生肿胀时,金属内管和SiCf/SiC复合管的设置能够降低核燃料包壳与核燃料芯块的机械作用力,提高包壳运行的可靠性。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明,附图中:
图1是本发明一实施例的金属增强碳化硅包壳管的横向剖面结构示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解,现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1所示,本发明的金属增强碳化硅包壳管,包括金属内管10和SiCf/SiC复合管20;金属内管10插设在SiCf/SiC复合管20内,并且通过塑性变形与SiCf/SiC复合管20的内壁面紧密贴合,形成一体的金属增强碳化硅包壳管。
其中,金属内管10相较于SiCf/SiC复合管20致密性高,通过金属内管10设置在SiCf/SiC复合管20内侧,提高包壳管的气密性,降低裂变气体释放风险。在塑性变形处理实现金属内管10与SiCf/SiC复合管20的紧密贴合时,环境温度为500℃-800℃,即是在低温下实现金属内管10与SiCf/SiC复合管20的紧密贴合,有效减少金属内管10与SiC界面副产物的产生,提高包壳可靠性。在使用该包壳管的核燃料元件的服役期间,核燃料芯块发生肿胀时,金属内管10的设置能够降低核燃料包壳与核燃料芯块的机械作用力,提高包壳运行的可靠性。
在金属增强碳化硅包壳管中,金属内管10的内径为7.5mm-8.0mm,外径为8.1mm-9.4mm;SiCf/SiC复合管20的外径为9.5mm-10.0mm;金属内管10和SiCf/SiC复合管20的长度一致。
在进行塑性变形前或者在金属内管10插入SiCf/SiC复合管20之前,金属内管10的内径为7.4mm-7.9mm,外径为8.0mm-9.0mm;SiCf/SiC复合管20的内径为8.1mm-9.1mm,外径为9.5mm-10.0mm。金属内管10和SiCf/SiC复合管20的长度一致,可为1m-4m。
对于金属内管10,其可以采用锆、铌、铁铬铝、不锈钢中至少一种制成,优选锆,即形成金属锆管。
对于SiCf/SiC复合管20,其可以是双层结构或者三层结构等等。对于双层结构的SiCf/SiC复合管20,其包括SiC纤维编织层、复合在SiC纤维编织层外侧的SiC单质外层。对于三层结构的SiCf/SiC复合管20,其包括SiC纤维编织层、复合在SiC纤维编织层内侧的SiC单质内层、复合在SiC纤维编织层外侧的SiC单质外层。
进一步地,为了提高包壳管的耐腐蚀性能,可在SiCf/SiC复合管20外表面设置金属涂层,该金属涂层优选为铬层。涂层厚度可为0.01mm-0.05mm。
参考图1,本发明的金属增强碳化硅包壳管的制造方法,可包括以下步骤:
S1、分别获得金属内管10和SiCf/SiC复合管20。
金属内管10可以采用锆、铌、铁铬铝、不锈钢中至少一种制成,优选锆,即形成金属锆管。
SiCf/SiC复合管采用NITE工艺、CVI工艺、PIP工艺、RI工艺中至少一种制成。
SiCf/SiC复合管20可以是双层结构或者三层结构等等。对于双层结构的SiCf/SiC复合管20,其包括SiC纤维编织层、复合在SiC纤维编织层外侧的SiC单质外层。对于三层结构的SiCf/SiC复合管20,其包括SiC纤维编织层、复合在SiC纤维编织层内侧的SiC单质内层、复合在SiC纤维编织层外侧的SiC单质外层。
在尺寸方面,作为选择,金属内管10的内径为7.4mm-7.9mm,外径为8.0mm-9.0mm;SiCf/SiC复合管20的内径为8.1mm-9.1mm,外径为9.5mm-10.0mm。
S2、将金属内管10轴向插入SiCf/SiC复合管20内。
在金属内管10插入SiCf/SiC复合管20之前,对金属内管10的外表面进行打磨处理,去除该外表面上的氧化层。
S3、对金属内管10进行塑性变形处理,使金属内管10与SiCf/SiC复合管20紧密贴合,形成金属增强碳化硅包壳管。
完成塑性变形处理后,金属内管10的外表面与SiCf/SiC复合管20的内壁面紧密贴合。在金属增强碳化硅包壳管中,金属内管10的内径为7.5mm-8.0mm,外径为8.1mm-9.4mm;SiCf/SiC复合管20的外径为9.5mm-10.0mm;金属内管10和SiCf/SiC复合管20的长度一致。
其中,塑性变形处理采用锥形模具涨环、内压扩径、拉拔成型方法中至少一种。塑性变形处理的环境温度为500℃-800℃,该温度相对于金属内管10的材料熔点等为低温,有效减少金属内管10与SiC界面副产物的产生,提高包壳可靠性。
S4、对金属增强碳化硅包壳管的两端进行精细磨削,以获得满足尺寸要求的金属增强碳化硅包壳管。
金属增强碳化硅包壳管的每一端面中,金属内管10和SiCf/SiC复合管20的端面平齐。
本发明的金属增强碳化硅包壳管应用于核燃料元件,与端塞配合形成核燃料包壳,内部设置核燃料芯块等形成核燃料元件。金属增强碳化硅包壳管、使用该金属增强碳化硅包壳管的核燃料元件的漏率为10-15~1×10-13Pa·m3/s。在服役期间核燃料芯块发生肿胀时,降低核燃料包壳与核燃料芯块的机械作用力,提高包壳运行的可靠性。
下面通过具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
采用金属锆管作为金属内管,金属内管内径为7.8mm,外径为8.5mm,长度为4m。采用SiCf/SiC复合材料作为外层,形成SiCf/SiC复合管;SiCf/SiC复合管内径为8.55mm,外径为10.0mm,长度为4m,SiCf/SiC复合管采用SiC纤维编织层与外SiC单质层复合的两层复合结构,SiC纤维编织层通过化学气相渗透(CVI)工艺进行增密。
将金属锆管外表面打磨去除氧化层,将其插入外层的SiCf/SiC复合管;然后,在500℃的环境温度下,通过锥形模具涨环的方式使得金属锆管发生塑性变形,从而实现金属锆管外壁与SiCf/SiC复合管内壁贴合,形成包壳管;最后对包壳管两端进行精细磨削。
包壳管的漏率为1×10-13Pa·m3/s,金属内管内径为7.9mm,外层SiCf/SiC复合管的外径为10.0mm。为了进一步提高其耐腐蚀性能,在外层SiCf/SiC复合管外表面喷涂金属铬涂层。
实施例2
采用金属锆管作为金属内管,金属内管内径为7.4mm,外径为8.0mm,长度为2m。采用SiCf/SiC复合材料作为外层,形成SiCf/SiC复合管;SiCf/SiC复合管内径为8.1mm,外径为9.5mm,长度为2m,SiCf/SiC复合管采用SiC纤维编织层与内外SiC单质层复合的三层复合结构,SiC纤维编织层通过多次前驱体浸渍-裂解(PIP)工艺进行增密。
将金属锆管外表面打磨去除氧化层,将其插入外层的SiCf/SiC复合管;然后,在800℃的环境温度下,通过内压扩径的方式使得金属锆管发生塑性变形,从而实现金属锆管外壁与SiCf/SiC复合管内壁贴合,形成包壳管;最后对包壳管两端进行精细磨削。
包壳管的漏率为1×10-15Pa·m3/s,金属内管内径为7.5mm,外层SiCf/SiC复合管的外径为9.5mm。
实施例3
采用金属锆管作为金属内管,金属内管内径为7.8mm,外径为8.5mm,长度为4m。采用SiCf/SiC复合材料作为外层,形成SiCf/SiC复合管;SiCf/SiC复合管内径为8.6mm,外径为9.9mm,长度为4m,SiCf/SiC复合管采用SiC纤维编织层与外SiC单质层复合的两层复合结构,SiC纤维编织层通过熔融渗透(RI)工艺进行增密。
将金属锆管外表面打磨去除氧化层,将其插入外层的SiCf/SiC复合管;然后,在650℃的环境温度下,通过拉拔成型的方式使得金属锆管发生塑性变形,从而实现金属锆管外壁与SiCf/SiC复合管内壁贴合,形成包壳管;最后对包壳管两端进行精细磨削。
包壳管的漏率为1×10-14Pa·m3/s,金属内管内径为7.9mm,外层SiCf/SiC复合管的外径为9.9mm。
实施例4
采用金属锆管作为金属内管,金属内管内径为7.7mm,外径为9.0mm,长度为1m。采用SiCf/SiC复合材料作为外层,形成SiCf/SiC复合管;SiCf/SiC复合管内径为9.15mm,外径为10.0mm,长度为1m,SiCf/SiC复合管采用SiC纤维编织层与外SiC单质层复合的两层复合结构,SiC纤维编织层通过化学气相渗透(CVI)工艺进行增密。
将金属锆管外表面打磨去除氧化层,将其插入外层的SiCf/SiC复合管;然后,在700℃的环境温度下,通过锥形模具涨环的方式使得金属锆管发生塑性变形,从而实现金属锆管外壁与SiCf/SiC复合管内壁贴合,形成包壳管;最后对包壳管两端进行精细磨削。
包壳管的漏率为1×10-14Pa·m3/s,金属内管内径为7.8mm,外层SiCf/SiC复合管的外径为10.0mm。
实施例5
采用金属锆管作为金属内管,金属内管内径为7.85mm,外径为8.5mm,长度为2m。采用SiCf/SiC复合材料作为外层,形成SiCf/SiC复合管;SiCf/SiC复合管内径为8.55mm,外径为9.8mm,长度为2m,SiCf/SiC复合管采用SiC纤维编织层与内外SiC单质层复合的三层复合结构,SiC纤维编织层通过化学气相渗透(CVI)工艺进行增密。
将金属锆管外表面打磨去除氧化层,将其插入外层的SiCf/SiC复合管;然后,在600℃的环境温度下,通过锥形模具涨环的方式使得金属锆管发生塑性变形,从而实现金属锆管外壁与SiCf/SiC复合管内壁贴合,形成包壳管;最后对包壳管两端进行精细磨削。
包壳管的漏率为1×10-14Pa·m3/s,金属内管内径为7.9mm,外层SiCf/SiC复合管的外径为9.8mm。
以上所述仅为本发明的实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换,或直接或间接运用在其他相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种金属增强碳化硅包壳管的制造方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、分别获得金属内管和SiCf/SiC复合管;
S2、将所述金属内管插入所述SiCf/SiC复合管内;
S3、对所述金属内管进行塑性变形处理,使所述金属内管与所述SiCf/SiC复合管紧密贴合,形成金属增强碳化硅包壳管。
2.根据权利要求1所述的金属增强碳化硅包壳管的制造方法,其特征在于,步骤S3中,所述塑性变形处理采用锥形模具涨环、内压扩径、拉拔成型方法中至少一种;
所述塑性变形处理的环境温度为500℃-800℃。
3.根据权利要求1所述的金属增强碳化硅包壳管的制造方法,其特征在于,步骤S1中,所述SiCf/SiC复合管采用NITE工艺、CVI工艺、PIP工艺、RI工艺中至少一种制成。
4.根据权利要求1所述的金属增强碳化硅包壳管的制造方法,其特征在于,所述金属内管的内径为7.4mm-7.9mm,外径为8.0mm-9.0mm;
所述SiCf/SiC复合管的内径为8.1mm-9.1mm,外径为9.5mm-10.0mm。
5.根据权利要求1-4任一项所述的金属增强碳化硅包壳管的制造方法,其特征在于,所述金属内管采用锆、铌、铁铬铝、不锈钢中至少一种制成。
6.根据权利要求1-4任一项所述的金属增强碳化硅包壳管的制造方法,其特征在于,所述SiCf/SiC复合管包括SiC纤维编织层、复合在所述SiC纤维编织层外侧的SiC单质外层。
7.根据权利要求1-4任一项所述的金属增强碳化硅包壳管的制造方法,其特征在于,所述SiCf/SiC复合管包括SiC纤维编织层、复合在所述SiC纤维编织层内侧的SiC单质内层、复合在所述SiC纤维编织层外侧的SiC单质外层。
8.根据权利要求1-4任一项所述的金属增强碳化硅包壳管的制造方法,其特征在于,还包括以下步骤:
S4、对所述金属增强碳化硅包壳管的两端进行精细磨削。
9.一种金属增强碳化硅包壳管,其特征在于,采用权利要求1-8任一项所述的制造方法制得。
10.一种金属增强碳化硅包壳管,其特征在于,包括金属内管和SiCf/SiC复合管;所述金属内管插设在所述SiCf/SiC复合管内,并且通过塑性变形与所述SiCf/SiC复合管的内壁面紧密贴合;
所述金属内管的内径为7.5mm-8.0mm,外径为8.1mm-9.4mm;所述SiCf/SiC复合管的外径为9.5mm-10.0mm;所述金属内管和SiCf/SiC复合管的长度一致。
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