CN1827813A - 一种耐超临界水腐蚀的锆合金材料 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种耐超临界水腐蚀的锆合金材料，属特种合金材料配方及加工工艺技术领域。本发明的锆合金成分(重量百分含量)为：Zr 95.3～98.3％，Nb 1.5～3.5％，Cu 0.2～0.8％，Fe 0.05～0.4％，其余杂质含量符合目前核用锆合金的标准。该合金的制备过程和步骤如下：(1)用核级海绵锆和核级纯金属原料按上述配方配料并压制成电极，采用真空自耗电弧炉进行两次熔炼制成合金锭；(2)将合金锭在850～1050℃进行锻造加工或挤压制成坯材；再经1020～1050℃β相加热均匀化处理后淬火；(3)坯材经多次冷轧，并在低于600℃进行中间退火，制成板材或管材；最后制品经580℃再结晶退火处理，即制得一种耐超临界水腐蚀的锆合金材料。

Description

一种耐超临界水腐蚀的锆合金材料

技术领域

本发明涉及一种耐超临界水腐蚀的锆合金材料，属特种合金材料配方及加工工艺

技术领域。

背景技术

由于锆的热中子吸收截面非常小，并具有良好的耐高温水腐蚀性能和力学性能，所以在水冷核动力反应堆中用作燃料元件的包壳材料。

随着核电技术的发展，在2001年底，提出了第四代核反应堆的概念设计。在提出的六种不同的反应堆堆型中，超临界水冷反应堆是最有希望实现应用的概念堆型之一。超临界水冷反应堆是以现有已商业化的轻水反应堆和火力发电站的超临界化石燃烧锅炉技术为基础，将冷却水的工作参数提高到500～550℃和25MPa的超临界状态，可以采用直接循环的方式推动透平发电机发电，这不但简化了核电站反应堆的结构，降低了核电站的建设投资和建设周期，还可以大大提高热效率，由现在轻水堆的33％提高到45％。

在反应堆的堆芯中，高温高压超临界水及中子辐射等恶劣的工况条件下，堆芯中的结构材料，特别是燃料元件包壳材料的选材和开发是一项具有挑战性的工作。

在超临界水冷反应堆工况条件下，现有的锆合金材料不能满足作为燃元件包壳材料的要求，需要研究开发更耐腐蚀的新型锆合金材料。

据有关文献资料及目前已有的锆合金材料可以看出，目前已有牌号的锆合金成分中一般都含有少量Nb、Sn、Cr、Fe等金属元素。例如：M5锆合金含有1.0％的Nb；N36锆合金含1.0％的Nb，1％的Sn，0.35％的Fe；N18锆合金含有0.35％的Nb；2.5Nb锆合金含有2.5％的Nb；Zr-4锆合金含有1.5％的Sn，0.22％的Fe，0.1％的Cr；ZIRLO锆合金含有1.0％的Nb，1.0％的Sn，0.1％的Fe；E635锆合金含有1.0％的Nb，1.2％的Sn，0.4％的Fe。

发明内容

本发明的目的是提供一种耐超临界高温高压水腐蚀的新型锆合金材料及其制备方法。

本发明提供一种耐超临界水腐蚀的锆合金材料，其特征在于具有以下的成分(重量百分比)：

Zr 95.3～98.3％

Nb 1.5～3.5％

Cu 0.2～0.8％

Fe 0.05～0.4％

其余杂质含量应符合目前核用锆合金的标准，对腐蚀性能有害的C、N杂质元素应作更严格的控制，C含量小于或等于150μg/g，N含量小于或等于50μg/g。

上述锆合金材料的制备方法，其特征在于具有以下的制备过程和步骤：

a.用核级海绵锆和核级纯金属原料按上述配方配料，压制成电极后用真空自耗电弧炉熔炼成锭，为保证成分均匀，合金锭经锻造加工重新制成电极，再进行一次熔炼，制成合金锭；

b.上述合金锭可在850～1050℃的高温下进行锻造加工或挤压制成坯材；但坯材需要再经过1020～1050℃β相加热均匀化处理，然后进行淬火；

c.坯材淬火后经多次冷轧，并在低于600℃下进行中间退火，制成管材或板材；

最后制品经580℃再结晶退火处理，即制得一种耐超临界水腐蚀的锆合金材料。

本发明中所用的原料为核级海绵锆及核级纯金属Nb、Cu和Fe。

本发明的制品在550℃、25MPa超临界水中，具有较好的耐腐蚀性能，其耐腐蚀性能远远优于现有各种商品牌号的锆合金。

附图说明

图1为本发明的锆合金与其它已有商品牌号的锆合金在550℃、25MPa超临界水中的腐蚀增重曲线，可以看出本发明的材料制品在550℃、25MPa超临界水中具有较好的耐腐蚀性能，其耐腐蚀性能远远优于现有各种商品牌号的锆合金。

具体实施方式

现将本发明的实施例具体叙述于后。

实施例1

本实施例的制备过程和步骤如下：

锆合金的成分(重量百分含量)为：

Zr 92.2％

Nb 3.0％

Cu 0.5％

Fe 0.2％

其余杂质含量符合目前核用锆合金的标准，对腐蚀性能有害的C、N杂质元素作了更严格的控制，C含量小于150μg/g，N含量小于50μg/g。

(1)用核级海绵锆和核级纯金属原料按上述配方配料压制成电极，采用真空自耗电弧炉进行两次熔炼，制成合金锭；

(2)将上述合金锭在850～1050℃进行锻造或挤压加工制成坯材；坯材再经过1020～1050℃β相加热均匀化处理后淬火；

(3)坯材淬火后经多次冷轧，并在低于600℃进行中间退火，制成板材；最后制品经过580℃再结晶退火处理，制得该锆合金材料。

本发明实施例中的特点是，1)特殊的合金配方。2)坯材在β相加热淬火后的后续加工过程中，所有的加热温度都不超过600℃，以有利于获得细小弥散分布的第二相，这样可进一步提高合金的耐腐蚀性能。

本实施例中所制得的锆合金与其它已有各种商品牌号的锆合金在相同的腐蚀条件下，即在550℃、25MPa超临界水中的腐蚀试验结果见附图1。从附图中可看出本发明的锆合金的耐腐蚀性能大大优于已有商品牌号的锆合金。

注：本实施例未选用ZIRLO和E635合金进行腐蚀实验对比，因为这两种合金的成分与N36合金非常相近。

本发明与各种已有牌号锆合金的平均成分(重量％)如下表所示：

	Nb	Cu	Fe	Cr	Sn	O	Ni	Zr
									本发明	3.0	0.5	0.2	-	-	-	-	余量
M5	1.0	-	-	-	-	0.16	-	余量
									N36	1.0	-	0.35	-	1.0	-	-	余量
N18	0.35	-	0.35	0.1	1.0	-	-	余量
									2.5Nb	2.5	-	-	-	-	-	-	余量
Zr-4	-	-	0.22	0.1	1.5	-	-	余量
									ZIRLO	1.0	-	0.10	-	1.0	-	-	余量
E635	1.0	-	0.40	-	1.2	-	-	余量

Claims (2)

1.一种耐超临界水腐蚀的锆合金材料，其特征在于具有以下的成分及重量百分含量：

Zr         95.3～98.3％

Nb         1.5～3.5％

Cu         0.2～0.8％

Fe         0.05～0.4％

其余杂质含量应符合目前核用锆合金的标准，对腐蚀性能有害的C、N杂质元素应作更严格的控制，C含量小于或等于150μg/g，N含量小于或等于50μg/g。

2.权利要求1的一种耐超临界水腐蚀的锆合金材料的制备方法，其特征在于具有以下的制备过程和步骤：

a.用核级海绵锆和核级纯金属原料按上述配方配料，压制成电极后用真空自耗电弧炉熔炼成锭，为保证成分均匀，合金锭经锻造加工重新制成电极，再进行一次熔炼，制成合金锭；

b.上述合金锭可在850～1050℃的高温下进行锻造加工或挤压制成坯材；但坯材需要再经过1020～1050℃β相加热均匀化处理，然后进行淬火；

c.坯材淬火后经多次冷轧，并在低于600℃下进行中间退火，制成管材或板材；

最后制品经580℃再结晶退火处理，即制得一种耐超临界水腐蚀的锆合金材料。

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