CN115896589A - 氧化物弥散强化FeCrAl合金及其制备方法和应用 - Google Patents
氧化物弥散强化FeCrAl合金及其制备方法和应用 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115896589A CN115896589A CN202211374399.0A CN202211374399A CN115896589A CN 115896589 A CN115896589 A CN 115896589A CN 202211374399 A CN202211374399 A CN 202211374399A CN 115896589 A CN115896589 A CN 115896589A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- alloy
- preparation
- fecral
- oxide dispersion
- fecral alloy
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000000956 alloy Substances 0.000 title claims abstract description 104
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 95
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 36
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 title claims abstract description 13
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 title claims abstract description 13
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 31
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 23
- 238000005253 cladding Methods 0.000 claims abstract description 22
- 229910001175 oxide dispersion-strengthened alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 19
- 238000005245 sintering Methods 0.000 claims abstract description 19
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims abstract description 17
- 238000005551 mechanical alloying Methods 0.000 claims abstract description 15
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 claims abstract description 12
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims abstract description 7
- 238000005242 forging Methods 0.000 claims abstract description 5
- 238000005098 hot rolling Methods 0.000 claims abstract description 5
- 238000000498 ball milling Methods 0.000 claims description 25
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 12
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 9
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 238000002490 spark plasma sintering Methods 0.000 claims description 5
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052702 rhenium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 26
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 abstract description 16
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 abstract description 16
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 9
- 238000005457 optimization Methods 0.000 abstract description 4
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 abstract description 3
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 19
- 238000004663 powder metallurgy Methods 0.000 description 11
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 7
- 238000009472 formulation Methods 0.000 description 6
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 6
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 4
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000003758 nuclear fuel Substances 0.000 description 3
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 3
- 238000009864 tensile test Methods 0.000 description 3
- 229910001093 Zr alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 238000001192 hot extrusion Methods 0.000 description 2
- 238000001513 hot isostatic pressing Methods 0.000 description 2
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 2
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 2
- 238000011056 performance test Methods 0.000 description 2
- 238000004321 preservation Methods 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 238000010998 test method Methods 0.000 description 2
- 238000003723 Smelting Methods 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 239000012612 commercial material Substances 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000004435 hydrogen atom Chemical class [H]* 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 239000004615 ingredient Substances 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000012857 radioactive material Substances 0.000 description 1
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 1
- 238000005204 segregation Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/06—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing aluminium
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
- B22F3/10—Sintering only
- B22F3/105—Sintering only by using electric current other than for infrared radiant energy, laser radiation or plasma ; by ultrasonic bonding
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
- B22F3/12—Both compacting and sintering
- B22F3/14—Both compacting and sintering simultaneously
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
- B22F3/24—After-treatment of workpieces or articles
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F9/00—Making metallic powder or suspensions thereof
- B22F9/02—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes
- B22F9/04—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from solid material, e.g. by crushing, grinding or milling
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
- C21D6/00—Heat treatment of ferrous alloys
- C21D6/002—Heat treatment of ferrous alloys containing Cr
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C33/00—Making ferrous alloys
- C22C33/02—Making ferrous alloys by powder metallurgy
- C22C33/0207—Using a mixture of prealloyed powders or a master alloy
- C22C33/0228—Using a mixture of prealloyed powders or a master alloy comprising other non-metallic compounds or more than 5% of graphite
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C33/00—Making ferrous alloys
- C22C33/02—Making ferrous alloys by powder metallurgy
- C22C33/0257—Making ferrous alloys by powder metallurgy characterised by the range of the alloying elements
- C22C33/0261—Matrix based on Fe for ODS steels
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C33/00—Making ferrous alloys
- C22C33/02—Making ferrous alloys by powder metallurgy
- C22C33/0257—Making ferrous alloys by powder metallurgy characterised by the range of the alloying elements
- C22C33/0278—Making ferrous alloys by powder metallurgy characterised by the range of the alloying elements with at least one alloying element having a minimum content above 5%
- C22C33/0285—Making ferrous alloys by powder metallurgy characterised by the range of the alloying elements with at least one alloying element having a minimum content above 5% with Cr, Co, or Ni having a minimum content higher than 5%
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/002—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing In, Mg, or other elements not provided for in one single group C22C38/001 - C22C38/60
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/005—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing rare earths, i.e. Sc, Y, Lanthanides
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
- C22C38/22—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with molybdenum or tungsten
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
- C22C38/26—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with niobium or tantalum
-
- G—PHYSICS
- G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
- G21C—NUCLEAR REACTORS
- G21C3/00—Reactor fuel elements and their assemblies; Selection of substances for use as reactor fuel elements
- G21C3/02—Fuel elements
- G21C3/04—Constructional details
- G21C3/06—Casings; Jackets
- G21C3/07—Casings; Jackets characterised by their material, e.g. alloys
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
- B22F3/10—Sintering only
- B22F3/105—Sintering only by using electric current other than for infrared radiant energy, laser radiation or plasma ; by ultrasonic bonding
- B22F2003/1051—Sintering only by using electric current other than for infrared radiant energy, laser radiation or plasma ; by ultrasonic bonding by electric discharge
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
- B22F3/24—After-treatment of workpieces or articles
- B22F2003/248—Thermal after-treatment
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F9/00—Making metallic powder or suspensions thereof
- B22F9/02—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes
- B22F9/04—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from solid material, e.g. by crushing, grinding or milling
- B22F2009/041—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from solid material, e.g. by crushing, grinding or milling by mechanical alloying, e.g. blending, milling
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F9/00—Making metallic powder or suspensions thereof
- B22F9/02—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes
- B22F9/04—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from solid material, e.g. by crushing, grinding or milling
- B22F2009/043—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from solid material, e.g. by crushing, grinding or milling by ball milling
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/30—Nuclear fission reactors
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- High Energy & Nuclear Physics (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Powder Metallurgy (AREA)
Abstract
本发明公开了一种氧化物弥散强化FeCrAl合金的制备方法，包括如下步骤：按照FeCrAl合金的成分配方将各元素粉末进行混粉，利用机械合金化法制得氧化物弥散强化FeCrAl合金粉末；将合金粉末放入模具中，利用放电等离子方法进行烧结，得到致密态坯料合金；去掉模具后，将致密态坯料合金进行高温固溶处理，得到固溶合金；将固溶合金进行锻造和热轧，得到所述氧化物弥散强化FeCrAl合金。本发明的氧化物弥散强化FeCrAl合金的制备方法，通过适当的材料成分设计和合理的合金制备方法优化，可以有效提高材料高温氧化性，增强材料高温强度和塑形，使其能够满足新一代燃料包壳设计要求。
Description
技术领域
本发明具体涉及一种核反应堆事故容错燃料包壳用ODS FeCrAl合金的粉末冶金制备方法、该制备方法制备得到的ODS FeCrAl合金及其应用。
背景技术
核反应堆燃料包壳是包容放射性物质的第一道安全屏障，其可靠性是核反应堆安全运行的重要保障。作为目前压水堆燃料组件主要商用材料，传统的锆合金燃料包壳在高温下会与水作用产生大量氢气，从而引发一系列爆炸，这也是导致核事故的主要原因之一。为提高燃料包壳在严重事故工况下的固有安全性，主要核电国家相继启动了新一代事故容错燃料(ATF)包壳的研发，为反应堆在严重事故工况下提供更大的安全余量，相关研究引起了广泛关注和重视。FeCrAl合金具备强度高、抗高温氧化性和抗辐照性强等优异的综合性能，已成为新一代ATF包壳的重要候选材料。
由于核反应堆燃料包壳面临高温、高压、腐蚀和辐照等严苛的复杂服役环境，现有FeCrAl合金的高温稳定性和力学性能等材料综合性能难以满足设计需求。由于高中子吸收截面引起的大量热中子损失是制约FeCrAl合金发展和应用的主要问题之一。因此，提高FeCrAl合金强度，以更薄壁厚的燃料包壳满足力学性能要求，可有效提高其中子经济性和竞争力。
相关研究表明，以粉末冶金方法制备的氧化物弥散强化(ODS)FeCrAl合金在保持抗高温氧化性能的基础上获得了力学性能的显著提高。在满足力学性能要求的前提下，ODSFeCrAl包壳管所需厚度可获得有效降低，从而大幅减少中子损失。但目前尚缺少成熟的合金成分设计方案和制备方法。传统熔炼方法仍存在M23C6等粒子的引入、弥散相尺寸调控困难和元素偏析等问题。
以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日以前已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。
发明内容
有鉴于此，为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种事故容错燃料包壳用ODS FeCrAl合金的粉末冶金制备方法。
为了达到上述目的，本发明采用以下的技术方案：
一种氧化物弥散强化FeCrAl合金的制备方法，包括如下步骤：
按照FeCrAl合金的成分配方将各元素粉末进行混粉，利用机械合金化法制得氧化物弥散强化FeCrAl合金粉末；
将合金粉末放入模具中，利用放电等离子方法进行烧结，得到致密态坯料合金；
去掉模具后，将致密态坯料合金进行高温固溶处理，得到固溶合金；
将固溶合金进行锻造和热轧，得到所述氧化物弥散强化FeCrAl合金。
根据本发明的一些优选实施方面，以重量百分比计，所述FeCrAl合金的成分配方为：12.5～14.5wt.％Cr，4.5～6.0wt.％Al，1.5～2.5wt.％Mo，1.0～1.5wt.％Nb， 0.15～0.25wt.％Re，0.10～0.15wt.％Y，余量为Fe和杂质元素。
本申请在主要组成元素Fe、Cr、Al的基础上添加了Mo、Nb、Re、Y元素并确定了优选的元素含量和元素添加形式。通过控制Cr、Al元素含量，保证材料基本力学性能及抗氧化能力；添加适量的Mo、Nb、Re、Y元素并控制机械合金化参数使合金中形成均匀弥散的细小第二相粒子，提高合金力学性能；通过控制Mo、Nb和Re、Y元素比例及放电等离子烧结参数，避免细小的第二相粒子在长期高温影响下发生粗化而导致的力学性能降低。本申请制备得到的合金材料在1200℃水蒸气条件下的蒸汽氧化速率远低于目前商用核电包壳材料Zr-4，具有优异的抗高温氧化性能；合金微观结构中形成细小弥散分布的第二相粒子，显著提高了合金力学性能。
根据本发明的一些优选实施方面，所述Mo和Nb的总重量百分比含量≥3％，通过在合金中形成Laves相等弥散硬质相来有效稳定变形和提高材料强度。
根据本发明的一些优选实施方面，所述Re和Y的总重量百分比含量≥0.3％，使合金中生成更加均匀细密的复合氧化物并减少晶界杂质，增强合金弥散强化效果的同时可有效提高合金热稳定性及抗高温氧化性能。
根据本发明的一些优选实施方面，所述Mo和Nb的总重量与Re和Y的总重量的比例≥9，避免弥散第二相尺寸过大而带来的性能下降问题。
根据本发明的一些优选实施方面，Y的添加形式为Y2O3粉末，其余元素以单质粉末的形式添加。
根据本发明的一些优选实施方面，所述机械合金化过程中持续通入高纯Ar 气。
根据本发明的一些优选实施方面，所述机械合金化的球磨时间为12-18h，球料比为10-14:1。优选地，机械合金化的球磨时间为15h，球料比为12:1。
根据本发明的一些优选实施方面，所述机械合金化的球磨分为两个阶段，第一阶段中，球磨速度为80～120rpm，球磨时间为1-3h；第二阶段中，球磨速度为200～230rpm，球磨时间为11-15h。优选地，第一阶段中的球磨速度为80～120 rpm，球磨时间为2h；第二阶段中的球磨速度为200～230rpm，球磨时间为13h。通过分阶段球磨方式保证粉末流动性和尺寸达到优选范围，并实现粉末的均匀混合及合金化。
根据本发明的一些优选实施方面，所述放电等离子烧结过程中控制升温速率为80-120℃/min，压力为40-60MPa，温度为1000-1200℃，烧结时间为15-45 min，真空度≤0.1Pa。优选地，放电等离子烧结过程控制升温速率为100℃/min，压力为50MPa，温度为1100℃，烧结时间为30min，真空度≤0.1Pa。
根据本发明的一些优选实施方面，所述高温固溶处理的温度为1000-1400℃，保温时间为1-3h。优选地，高温固溶处理的温度为1150℃，保温时间为2h。
本发明还提供了一种根据上述的制备方法制备得到的氧化物弥散强化 FeCrAl合金。
本发明还提供了一种如上所述的制备方法制备得到的氧化物弥散强化 FeCrAl合金在核反应堆事故容错燃料包壳中的应用。
由于采用了以上的技术方案，相较于现有技术，本发明的有益之处在于：本发明的氧化物弥散强化FeCrAl合金的制备方法，引入放电等离子烧结技术，实现材料的高效制备，相比于热挤压和热等静压等常规粉末冶金方法，具有操作简单、加热均匀、烧结温度低、制备时间短和材料组织均匀等优势；通过适当的材料成分设计和合理的合金制备方法优化，可以有效提高材料高温氧化性，增强材料高温强度和塑形，使其能够满足新一代燃料包壳设计要求。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明的氧化物弥散强化FeCrAl合金的制备方法，通过分阶段球磨，实现粉末的均匀混合及形成合金化；引入放电等离子烧结技术，通过优选参数，实现材料的高效制备。相比于热挤压和热等静压等常规粉末冶金方法，具有操作简单、加热均匀、烧结温度低、制备时间短和材料组织均匀等优势，通过适当的材料成分设计和合理的合金制备方法优化，可以有效提高材料高温氧化性，增强材料高温强度和塑形，使其能够满足新一代燃料包壳设计要求。
实施例1
本实施例的核反应堆事故容错燃料包壳用FeCrAl合金的粉末冶金制备方法，包括以下步骤：
步骤(1)、按照FeCrAl合金成分配方将各元素及Y2O3粉末进行混粉(合金配方以重量百分比计，如表1中编号①所示)，利用机械合金化法制得ODS FeCrAl合金粉末。
机械合金化球磨时间为15h，球料比为12:1。具体的，球磨过程分为两个阶段：第一阶段中，速度为100rpm，时间为2h；第二阶段中，速度为220rpm，时间为13h；整个过程中持续通入高纯Ar气。
步骤(2)、将步骤(1)制备的合金粉末放入钢制模具中，利用放电等离子方法进行烧结使其达到致密状态。
放电等离子烧结过程控制升温速率为100℃/min，压力为50MPa，温度为 1100℃，烧结时间为30min，真空度为0.1Pa。
步骤(3)、去掉模具后，将步骤(2)获得的致密态坯料合金进行1150℃保温2h高温固溶处理，得到固溶合金。
步骤(4)、将步骤(3)获得的固溶合金进行锻造和热轧，获得ODS FeCrAl 合金。
实施例2
本实施例的核反应堆事故容错燃料包壳用FeCrAl合金的粉末冶金制备方法，包括以下步骤：
步骤(1)、按照FeCrAl合金成分配方将各元素及Y2O3粉末进行混粉(合金配方以重量百分比计如表1中编号②所示)，利用机械合金化法制得ODS FeCrAl合金粉末。
机械合金化球磨时间为15h，球料比为12:1。具体的，球磨过程分为两个阶段：第一阶段中，速度为100rpm，时间为2h；第二阶段中，速度为220rpm，时间为13h；整个过程中持续通入高纯Ar气。
步骤(2)、将步骤(1)制备的合金粉末放入钢制模具中，利用放电等离子方法进行烧结使其达到致密状态。
放电等离子烧结过程控制升温速率为100℃/min，压力为50MPa，温度为 1100℃，烧结时间为30min，真空度为0.1Pa。
步骤(3)、去掉模具后，将步骤(2)获得的致密态坯料合金进行1150℃保温2h高温固溶处理，得到固溶合金。
步骤(4)、将步骤(3)获得的FeCrAl合金进行锻造和热轧，获得ODS FeCrAl 合金。
对比例1
本对比例的FeCrAl合金的粉末冶金制备方法，与实施例1的区别在于：本对比例的步骤(1)中，机械合金化球磨时间为15h，球料比为12:1，球磨速度为100rpm，过程中未通入高纯Ar气。其余步骤相同。
对比例2
本对比例的FeCrAl合金的粉末冶金制备方法，与实施例1的区别在于：本对比例的步骤(2)中，放电等离子烧结过程控制温度为800℃，烧结时间为30 min；步骤(3)中，致密态坯料合金未进行高温固溶处理。其余步骤相同。
对比例3
本对比例的FeCrAl合金的粉末冶金制备方法，与实施例2的区别在于：本对比例的合金配方以重量百分比计如表1中编号③所示，Y以单质形式添加，不添加Y2O3氧化物。
对比例4
本对比例的FeCrAl合金的粉末冶金制备方法，与实施例2的区别在于：本对比例的合金配方以重量百分比计如表1中编号④所示，不添加Nb氧化物。
对比例5
本对比例的FeCrAl合金的粉末冶金制备方法，与实施例1的区别在于：本对比例的合金配方以重量百分比计如表1中编号⑤所示，添加过量的Y2O3氧化物。
表1FeCrAl合金实施例及对比例的成分配方
针对上述实施例1-2和对比例1-5制备得到的FeCrAl合金开展性能测试，其中，拉伸测试方法参考GB/T 228.1-2021金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法和GB/T228.2-2015金属材料拉伸试验第2部分：高温试验方法；抗高温氧化性能测试参考GB/T13303-91钢的抗氧化性能测定方法。结果如表 2所示。
表2本发明中FeCrAl合金实施例及对比例的性能测试对比
表1的结果表明，通过本发明实施例中优化组分及制备工艺获得的ODS FeCrAl合金材料具有良好的常温和高温力学性能以及优异的抗高温氧化性能：相比于对比例，实施例达到了材料力学性能和抗高温氧化性能的优化组合。
本发明通过放电等离子烧结方法制备了一种核反应堆事故容错燃料包壳用 ODSFeCrAl合金材料，通过元素含量优化和制备参数调控，获得的合金材料具有较好的高温力学强度、抗高温氧化性能以及抗辐照性能，能够较好地满足设计需要，解决FeCrAl合金材料在核反应堆燃料包壳中的应用问题。本发明具有的优势和有益效果在于：本发明在FeCrAl合金材料的主要组成元素Cr、Al的基础上添加了Mo、Nb、Re、Y元素并确定了优选的元素含量和元素添加形式。通过控制Cr、Al元素含量，保证材料基本力学性能及抗氧化能力；添加适量的 Mo、Nb、Re、Y元素并控制机械合金化参数使合金中形成均匀弥散的细小第二相粒子，提高合金力学性能；通过控制Mo、Nb和Re、Y元素比例及放电等离子烧结参数，避免细小的第二相粒子在长期高温影响下发生粗化而导致的力学性能降低。本发明获得合金材料在1200℃水蒸气条件下的蒸汽氧化速率远低于目前商用核电包壳材料Zr-4，具有优异的抗高温氧化性能；合金微观结构中形成细小弥散分布的第二相粒子，显著提高了合金力学性能。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种氧化物弥散强化FeCrAl合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
按照FeCrAl合金的成分配方将各元素粉末进行混粉，利用机械合金化法制得氧化物弥散强化FeCrAl合金粉末；
将合金粉末放入模具中，利用放电等离子方法进行烧结，得到致密态坯料合金；
去掉模具后，将致密态坯料合金进行高温固溶处理，得到固溶合金；
将固溶合金进行锻造和热轧，得到所述氧化物弥散强化FeCrAl合金。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，以重量百分比计，所述FeCrAl合金的成分配方为：12.5～14.5wt.％Cr，4.5～6.0wt.％Al，1.5～2.5wt.％Mo，1.0～1.5wt.％Nb，0.15～0.25wt.％Re，0.10～0.15wt.％Y，余量为Fe和杂质元素。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述Mo和Nb的总重量百分比含量≥3％。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述Re和Y的总重量百分比含量≥0.3％。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述Mo和Nb的总重量与Re和Y的总重量的比例≥9。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述机械合金化的球磨时间为12-18h，球料比为10-14:1。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述机械合金化的球磨分为两个阶段，第一阶段中，球磨速度为80～120rpm，球磨时间为1-3h；第二阶段中，球磨速度为200～230rpm，球磨时间为11-15h。
8.根据权利要求1-7任意一项所述的制备方法，其特征在于，所述放电等离子烧结过程中控制升温速率为80-120℃/min，压力为40-60MPa，温度为1000-1200℃，烧结时间为15-45min，真空度≤0.1Pa。
9.一种根据权利要求1-8任意一项所述的制备方法制备得到的氧化物弥散强化FeCrAl合金。
10.一种如权利要求1-8任意一项所述的制备方法制备得到的氧化物弥散强化FeCrAl合金在核反应堆事故容错燃料包壳中的应用。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211374399.0A CN115896589B (zh) | 2022-11-04 | 2022-11-04 | 氧化物弥散强化FeCrAl合金及其制备方法和应用 |
| CN202410210845.7A CN117947346A (zh) | 2022-11-04 | 2022-11-04 | 一种核反应堆事故容错燃料包壳用FeCrAl合金 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211374399.0A CN115896589B (zh) | 2022-11-04 | 2022-11-04 | 氧化物弥散强化FeCrAl合金及其制备方法和应用 |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202410210845.7A Division CN117947346A (zh) | 2022-11-04 | 2022-11-04 | 一种核反应堆事故容错燃料包壳用FeCrAl合金 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115896589A true CN115896589A (zh) | 2023-04-04 |
| CN115896589B CN115896589B (zh) | 2024-04-05 |
Family
ID=86492655
Family Applications (2)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202211374399.0A Active CN115896589B (zh) | 2022-11-04 | 2022-11-04 | 氧化物弥散强化FeCrAl合金及其制备方法和应用 |
| CN202410210845.7A Pending CN117947346A (zh) | 2022-11-04 | 2022-11-04 | 一种核反应堆事故容错燃料包壳用FeCrAl合金 |
Family Applications After (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202410210845.7A Pending CN117947346A (zh) | 2022-11-04 | 2022-11-04 | 一种核反应堆事故容错燃料包壳用FeCrAl合金 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (2) | CN115896589B (zh) |
Citations (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1258756A (zh) * | 1999-12-17 | 2000-07-05 | 黄进峰 | 高温高强度奥氏体抗氧化腐蚀高温合金 |
| CN103938102A (zh) * | 2014-05-12 | 2014-07-23 | 盐城市鑫洋电热材料有限公司 | 一种铁铬铝系多元高电阻电热合金的制备方法 |
| CN106319369A (zh) * | 2016-10-12 | 2017-01-11 | 苏州热工研究院有限公司 | 一种核燃料包壳材料用FeCrAl基合金材料 |
| CN106381448A (zh) * | 2016-10-12 | 2017-02-08 | 苏州热工研究院有限公司 | 一种核反应堆燃料包壳材料用FeCrAl合金材料 |
| CN106399846A (zh) * | 2016-10-12 | 2017-02-15 | 苏州热工研究院有限公司 | 核反应堆燃料包壳材料用FeCrAl合金材料 |
| CN109811116A (zh) * | 2019-02-21 | 2019-05-28 | 中国核动力研究设计院 | 一种耐事故包壳用FeCrAl基合金纳米晶材料的制备方法 |
| CN109988975A (zh) * | 2017-12-29 | 2019-07-09 | 中国核动力研究设计院 | 一种FeCrAl合金中获得弥散纳米析出相的调控方法 |
| CN110863152A (zh) * | 2019-12-05 | 2020-03-06 | 中国核动力研究设计院 | 一种核反应堆耐事故燃料元件包壳用FeCrAl基ODS合金的制备方法 |
| CN110863153A (zh) * | 2019-12-05 | 2020-03-06 | 中国核动力研究设计院 | 一种先进核燃料元件包壳用FeCrAl基ODS合金材料的制备方法 |
| CN111809119A (zh) * | 2020-07-20 | 2020-10-23 | 中国核动力研究设计院 | 一种弥散强化FeCrAl合金材料 |
| CN113278895A (zh) * | 2021-05-06 | 2021-08-20 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种高强度FeCrAl基合金 |
| CN113564493A (zh) * | 2021-08-10 | 2021-10-29 | 成都大学 | 一种高熵合金增强FeCrAl合金包壳材料及其制备工艺 |
| WO2022162393A1 (en) * | 2021-01-29 | 2022-08-04 | Oxford Sigma Limited | Nuclear fusion breeder blanket |
-
2022
- 2022-11-04 CN CN202211374399.0A patent/CN115896589B/zh active Active
- 2022-11-04 CN CN202410210845.7A patent/CN117947346A/zh active Pending
Patent Citations (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1258756A (zh) * | 1999-12-17 | 2000-07-05 | 黄进峰 | 高温高强度奥氏体抗氧化腐蚀高温合金 |
| CN103938102A (zh) * | 2014-05-12 | 2014-07-23 | 盐城市鑫洋电热材料有限公司 | 一种铁铬铝系多元高电阻电热合金的制备方法 |
| CN106319369A (zh) * | 2016-10-12 | 2017-01-11 | 苏州热工研究院有限公司 | 一种核燃料包壳材料用FeCrAl基合金材料 |
| CN106381448A (zh) * | 2016-10-12 | 2017-02-08 | 苏州热工研究院有限公司 | 一种核反应堆燃料包壳材料用FeCrAl合金材料 |
| CN106399846A (zh) * | 2016-10-12 | 2017-02-15 | 苏州热工研究院有限公司 | 核反应堆燃料包壳材料用FeCrAl合金材料 |
| CN109988975A (zh) * | 2017-12-29 | 2019-07-09 | 中国核动力研究设计院 | 一种FeCrAl合金中获得弥散纳米析出相的调控方法 |
| CN109811116A (zh) * | 2019-02-21 | 2019-05-28 | 中国核动力研究设计院 | 一种耐事故包壳用FeCrAl基合金纳米晶材料的制备方法 |
| CN110863152A (zh) * | 2019-12-05 | 2020-03-06 | 中国核动力研究设计院 | 一种核反应堆耐事故燃料元件包壳用FeCrAl基ODS合金的制备方法 |
| CN110863153A (zh) * | 2019-12-05 | 2020-03-06 | 中国核动力研究设计院 | 一种先进核燃料元件包壳用FeCrAl基ODS合金材料的制备方法 |
| CN111809119A (zh) * | 2020-07-20 | 2020-10-23 | 中国核动力研究设计院 | 一种弥散强化FeCrAl合金材料 |
| WO2022162393A1 (en) * | 2021-01-29 | 2022-08-04 | Oxford Sigma Limited | Nuclear fusion breeder blanket |
| CN113278895A (zh) * | 2021-05-06 | 2021-08-20 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种高强度FeCrAl基合金 |
| CN113564493A (zh) * | 2021-08-10 | 2021-10-29 | 成都大学 | 一种高熵合金增强FeCrAl合金包壳材料及其制备工艺 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 宋鹏;陆建生;赵宝禄;W.J.QUADAKKERS;: "活性元素影响MCrAlY涂层氧化性能的研究进展", 材料导报, no. 07, pages 59 - 62 * |
| 柏广海;薛飞;张晏玮;刘二伟;尚灿;刘向兵;耿建桥;余伟炜;: "燃料包壳用FeCrAl合金变形行为与热加工图研究", 稀有金属材料与工程, no. 07, pages 156 - 161 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117947346A (zh) | 2024-04-30 |
| CN115896589B (zh) | 2024-04-05 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110760760B (zh) | 一种核反应堆结构材料用FeCrAl基合金的制备方法 | |
| CN110863153B (zh) | 一种先进核燃料元件包壳用FeCrAl基ODS合金材料的制备方法 | |
| CN110863152B (zh) | 一种核反应堆耐事故燃料元件包壳用FeCrAl基ODS合金的制备方法 | |
| CN113564493B (zh) | 一种高熵合金增强FeCrAl合金包壳材料及其制备工艺 | |
| CN102605213B (zh) | 核电站燃料包壳用含锗的锆锡铌合金 | |
| CN105274445A (zh) | 一种氧化物弥散强化低活化钢及其制备方法 | |
| CN109778005A (zh) | 一种具有优异变形能力的TiAl合金及其制备方法 | |
| CN110863148B (zh) | 一种核反应堆包壳用FeCrAl基ODS合金的制备方法 | |
| EP4123044B1 (en) | High-temperature alloy having low stacking fault energy, structural member and application thereof | |
| CN115652164B (zh) | 一种耐高温中子屏蔽用抗氢致开裂钇基合金材料、其制备方法及其应用 | |
| CN111020346B (zh) | 一种核反应堆用FeCrAl基ODS合金材料的制备方法 | |
| CN101935778B (zh) | 一种用于核反应堆的锆基合金及其制备方法 | |
| CN105018793A (zh) | 一种耐热钛合金 | |
| CN114622138B (zh) | 一种11b掺杂氧化物弥散强化合金、制备方法及其应用 | |
| CN114589305B (zh) | 一种快中子反应堆用钼合金的制造方法 | |
| CN102181749B (zh) | 一种核压水反应堆用锆合金材料及其制备方法 | |
| CN101654752A (zh) | 一种核反应堆用锆-锡-铌系锆合金 | |
| CN115896589B (zh) | 氧化物弥散强化FeCrAl合金及其制备方法和应用 | |
| CN112941367B (zh) | 一种纳米氧化物弥散增强耐热锆合金及其制备方法 | |
| CN114318152A (zh) | 一种复合强化铁基高温合金及其制备方法 | |
| CN110835716B (zh) | 一种核反应堆堆芯用FeCrAl基ODS合金的制备方法 | |
| CN103469010B (zh) | 核电站燃料包壳用含硫低Nb的锆锡铌合金 | |
| CN115652172B (zh) | 一种抗辐照低中子吸收截面高熵合金、其制备方法及用途 | |
| US11859269B1 (en) | High strength-ductility matched oxide-particles dispersion steel, preparation method and application thereof | |
| CN115652161B (zh) | 聚合物炭化多孔包覆纳米碳化物强韧化钼合金的制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |