CN117947346A - 一种核反应堆事故容错燃料包壳用FeCrAl合金 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种核反应堆事故容错燃料包壳用FeCrAl合金，以重量百分比计，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.％Y2O3，余量为Fe和杂质元素；FeCrAl合金由以下制备方法制得：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，得到氧化物弥散强化FeCrAl合金。本发明可以有效提高材料高温氧化性、高温强度和塑形。
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FeCrAl合金。
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，这也是导致福岛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。
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.％Y2O3，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(氩气)。
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80～120rpm，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15-45min，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30min；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。
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)
1.一种核反应堆事故容错燃料包壳用FeCrAl合金，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.％Y2O3，余量为Fe和杂质元素；
所述FeCrAl合金由以下制备方法制得：
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所述的核反应堆事故容错燃料包壳用FeCrAl合金，其特征在于，所述Mo和Nb的总重量百分比含量≥3％。
3.根据权利要求1所述的核反应堆事故容错燃料包壳用FeCrAl合金，其特征在于，所述Re和Y的总重量百分比含量≥0.3％。
4.根据权利要求1所述的核反应堆事故容错燃料包壳用FeCrAl合金，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。
5.根据权利要求1所述的核反应堆事故容错燃料包壳用FeCrAl合金，其特征在于，机械合金化的球磨时间为12-18h，球料比为(10-14):1。
6.根据权利要求5所述的核反应堆事故容错燃料包壳用FeCrAl合金，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。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的核反应堆事故容错燃料包壳用FeCrAl合金，其特征在于，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。
8.根据权利要求1所述的核反应堆事故容错燃料包壳用FeCrAl合金，其特征在于，机械合金化过程中持续通入高纯氩气。
9.根据权利要求1所述的核反应堆事故容错燃料包壳用FeCrAl合金，其特征在于，所述高温固溶处理的温度为1000-1400℃，保温时间为1-3h。
10.根据权利要求9所述的核反应堆事故容错燃料包壳用FeCrAl合金，其特征在于，所述高温固溶处理的温度为1150℃，保温时间为2h。
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