DE1184507B - Verwendung einer Magnesiumlegierung fuer Kernreaktor-Brennelementhuellen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.:

C22c

Deutsche Kl.: 40 b - 23/00

Nummer: 1184 507

Aktenzeichen: B 50754 VI a/40 b

Anmeldetag: 16. Oktober 1958

Auslegetag: 31. Dezember 1964

Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung von Magnesiumlegierungen zum Zwecke des Einschließens oder Umhüllen« von Material für die Brennelemente von Kernreaktoren. Zu diesem Zweck muß die zunächst gegossene Legierung einer Warmverformung unterzogen werden, wodurch sie in eine für die geforderte Verwendung geeignete Form gebracht wird. Dies kann durch ein Warmpreßverfahren bewirkt werden.

Die wichtigen mechanischen Eigenschaften, welche von einem Werkstoff für Uran-Brennelementhüllen in einem thermischen Kernreaktor gefordert werden, sind: hohes Dehnungsvermögen zwischen 200 und 500° C, kleine Korngröße und hohe Stabilität der Korngröße bis zu 500° C aufwärts» Freisein von übermäßiger interkristalliner Lunkerung, hohe Zeitstandfestigkeit bei niedrigen Beanspruchungen und den höchsten Betriebstemperaturen sowie gute Schweißbarkeit.

Legierungen, die für Brennelementhüllen in Reaktoren für natürliches Uran benutzt werden, müssen darüber hinaus sehr niedrige Neutronenabsorptionsquerschnitte besitzen; und aus diesem Grunde ist Magnesium das wichtigste Metall, das zur Bildung des Hauptbestandteils jeder verwandten Legierung dient. Alle zur Verwendung gelangenden Legierungselemente müssen derart beschaffen sein, daß der Neutronenabsorptionsquerschnitt der sich ergebenden Legierung entsprechend klein ist

Bei Magnesiumlegierungen, "die bisher in Erwägung gezogen wurden, handelt es sich um solche, bei denen der Hauptlegierungsbestandteil annähernd 1% Aluminium ausmacht, sowie Magnesiumlegierungen, welche 0,5 % Zirkonium enthalten, und solche Legierungen, die 0,5,% Zirkonium und 0,5 bis 1% Zink aufweisen. Die beiden Legierungen, bestehend aus Magnesium mit 0,5% Zirkonium sowie Magnesium mit 0,5% Zirkonium und 0,5 bis 1% Zink, besitzen viele Eigenschaften, welche sie für Brennelementhüllen geeignet machen, jedoch mit der Ausnahme, daß ihre Zeitstandfestigkeit bei hohen Temperaturen im Bereich von etwa 500⁰C nicht genügend hoch ist.

Legierungen, in denen eine geringe Menge Mangan in Magnesium unter Zusatz von Zirkonium legiert ist, sind ebenfalls bekannt. Derartige Legierungen schließen jedoch als bevorzugte Bestandteile auch solche Komponenten wie Th, Ce, Zn usw. ein, die sich für den Zweck der Verwendung in Kernreaktoren als gänzlich unerwünscht herausgestellt haben, so daß die Benutzung dieser älteren bekann-Verwendung einer Magnesiumlegierung
für Kernreaktor-Brennelementhüllen

Anmelder:

Associated Electrical Industries (Rugby)

Limited, London

Vertreter:

Dr.-Ing. M. Herzfeld, Patentanwalt,

Düsseldorf, Kreuzstr. 32

Als Erfinder benannt:
Geoffrey Charles Edward Olds,
Leicester, Leicestershire (Großbritannien)

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 25. Oktober 1957 (33 424)

ten Legierungen für den erwähnten Zweck nicht in Betracht zu ziehen ist.

Es wurde nun gefunden, daß, wenn geringe Anteile von Zr und Mn ohne Zusatz anderer Bestandteile in Magnesium enthalten sind, überraschender-

, weise eine Legierung von hoher Zeitstandfestigkeit erzeugt wird, welche dabei auch die anderen wünschenswerten Eigenschaften besitzt, deren Vorhandensein; Jo&i binären Magnessium-Zirkonium-Legierungen oder bei ternären Magnesium-Zirkonium-Zink-Legierungen bekannt ist. Bei diesen letztgenannten Legierungen handelt es sich im wesentlichen um einphasige Legierungen, die bei hohen Temperaturen keine Ausscheidungshärtung aufweisen, welche üblicherweise mit der Zeitstandfestigkeit verbunden ist.

Die beiden obenerwähnten Legierungen, bestehend aus Magnesium mit 0,5% Zirkonium sowie Magnesium mit 0,5% Zirkonium und 0,5 bis 1'/» Zink, besitzen viele Eigenschaften, welche sie für Reaktorhüllen geeignet machen, jedoch mit der Ausnähme, daß ihre Zeitstandfestigkeit bei hohen Temperaturen im Bereich von etwa 500° C nicht genügend hoch ist.

Es wurde also gefunden, daß eine kleine Menge Mangan, die dem Zirkonium- enthaltenden Magnesium zugesetzt ist, eine Legierung von hoher Zeitstandfestigkeit erzeugt, die jedoch auch die anderen wünschenswerten Eigenschaften noch besitzt,

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deren Vorhandensein in binären Magnesium-Zirkonium-Legierungen oder in ternären Magnesium-Zirkonium-Zink-Legierungen bekannt ist. Bei diesen verbesserten Legierungen handelt es sich grundsätzlich um einphasige Legierungen, die bei hohen Temperaturen keine Ausscheidungshärtung aufweisen, welche üblicherweise mit der Zeitstandfestigkeit verbunden ist.

Eine erfindungsgemäß ausgebildete Legierung besteht demgemäß aus Zirkonium, Magnesium und Mangan, wobei die Verhältnisanteile in der Legierung, in Gewichtsprozenten ausgedrückt, wie folgt vorgesehen sind: 0,5 bis 1,0% Zr, 0,05 bis 0,5% Mn; dei Rest besteht aus Magnesium, wenn die Legierung als Werkstoff für die Brennelementhüllen eines Kernreaktors verwandt werden soll.

Es ist bekannt, daß die nutzbare Löslichkeit im geschmolzenen und im festen Zustand von Zirkonium in Magnesium zwecks Bildung einer einphasigen Legierung ungefähr 1,0% beträgt; oberhalb dieses Prozentsatzes ist in der Endlegierung eine Zirkoniumausscheidung vorhanden. Auch Mangan weist eine begrenzte Löslichkeit in flüssigem und festem Magnesium auf, und zwar derart, daß, wenn die in einer binären Legierung vorhandene Menge einen Betrag von etwa 0,5% übersteigt, sich in der Legierung eine unerwünschte Ausscheidung ergibt, die zum Brüchigwerden führen kann. Wenn sowohl Zirkonium als auch Mangan in einer Magnesiumlegierung vorhanden sind, schränkt jedes der beiden Elemente die Löslichkeit des anderen ein, d. h. ein geringer Manganzusatz von wenigen zehntein von 1 % verringert die Löslichkeit von Zirkonium auf weniger als 1,0%. Der Einschluß von Mangan bei der Herstellung von Magnesüim-Zirkonium-Legierungen macht daher die Verminderung des Zirkoniumgehalts auf weniger als 1,0% erforderlich, und zwar sowohl, um die Legierungselemente in "der Schmelze in Form einer Lösung zu erhalten, als auch zwecks Erzeugung einer einphasigen Endlegierung, die aus dem letzteren Grunde auch frei von ernstlicher Versprödung sein muß. Die Zirkonium- und Mangangehalte jeglicher Magnesium-Zirkonium-Mangan-Legierungen sind daher voneinander abhängig.

Der bevorzugte Maximalgehalt an Mangan für einen Werkstoff für Brennelemethüllen beträgt unter Berücksichtigung der Neutronenabsorptionswirkung etwa 0,2%.

Im einzelnen werden die folgenden Beispiele bevorzugter Zusammensetzungen angegeben, die sich als grundsätzlich einphasige Legierungen herstellen lassen:

Legierung (1) .. 0,6% Zr 0,1% Mn, Rest Mg Legierung (2) .. 0,7% Zr 0,27% Mn, Rest Mg

Die Verbesserung in der Zeitstandfestigkeit der Mangan enthaltenden Legierung (1) gegenüber ihrer aus Magnesium-Zirkonium bestehenden Stammlegierung sowie gegenüber der einen geringeren Zirkoniumgehalt aufweisenden Legierung (A) wird z. B. durch die nachstehenden Zugprüfungsresultate bezüglich des Kriechverhaltens veranschaulicht:

Legierung

Sekundäre Kriechgeschwindigkeit

während 1000 Stunden Dauer

bei 450° C und einer Belastung

von 0,07 kg/mm*

Stammlegierung Mg-Zirkonium

Legierung (A)

Legierung (1)

0,6
0,5
0,6

0,11
0,1

68 · 10-e %/Stunde
0,6 · 10-" %/Stunde
0,2 · ΙΟ"⁶ %/Stunde

Dauerstandversuche unter härteren Bedingungen 45 Zirkoniumgehalt überlegen ist, selbst wenn bei 0,035 kg/mm² und 500° C zeigen, daß die Legie- letztere Legierung bei einer geringeren rung (2) der Legierung (1) und auch der Legie- anspruchung geprüft wurde, rung (B) von ähnlichem Mangan- und niedrigerem

die Be

Legierung

Beanspruchung
kg/mm^!

Sekundäre

Kriechgeschwmdigkeit bei 1000 Stunden Dauer

und 500° C

Legierung (B)
Legierung (1) .
Legierung (2).

0,37

0,6

0,7

0,24

0,1

0,27

0,01

0,035

0,035

1,5 -10-e %/Stunde

18 · ΙΟ-" %/Stande

0,4 -10-e %/Stunde

Die vorstehenden Angaben beweisen, daß 0,6 und 0,7% Zr enthaltende Mg-Zr-Mn-Legierungen der Magnesium und 0,6% Zirkonium enthaltenden Stammlegierung überlegen sind. Bei Manganspiegeln von annähernd 0,1% und annähernd 0,25% zeigt die vorstehende Tabelle ferner, daß Zirkoniumgehalte von 0,6 bzw. 0,7% höhere Zeitstandfestigkeiten ergeben als ähnliche Legierungen, die 0,5% oder weniger Zirkonium enthalten.

Die folgenden Prüfungswerte zeigen, daß die Legierungen (1) und (2) eine geringe Korngröße — frei von übermäßigem Wachstum bei 500° C — besitzen und bei 200° C ausreichende Dehnbarkeit aufweisen:

i	Legierung	5	Durchschnittlicher Korndurchmesser in Mikron nach Glühung von 500 Stunden Dauer bei 500° C	6	°/o Bruchdehnung, wenn mit 0,1 °/o pro Stunde bei 200° C gedehnt
Stammlegierung Mg-Zr Legierung (1) Legierung (2)	Durchschnittlicher Ausgangskoni durchmesser in Mikron	97 35 60	°/o Bruchdehnung, wenn mit 1 % pro Stunde bei 200° C gedehnt	76 41
32 25 37	77 49 85

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verwendung von Magnesiumlegierungen, bestehend, in Gewichtsprozenten ausgedrückt, aus 0,5 bis 1,0% Zirkonium, 0,05 bis 0,5 °/o Mangan, Rest Magnesium, als Werkstoff für die Herstellung von Brennelementhüllen eines Kernreaktors.

2. Verwendung einer Legierung gemäß Anspruch 1 mit 0,6% Zirkonium und 0,1% Mangan für den im Anspruch 1 genannten Zweck.

3. Verwendung einer Legierung gemäß Anspruch 1 mit 0,7% Zirkonium und 0,27% Mangan für den im Anspruch 1 genannten Zweck.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 934017; britische Patentschrift Nr. 759 411;

Auszüge deutscher Patentanmeldungen, Bd. 19, S. 440;

Chemisches Zentralblatt, 1953, S. 763;

S. Glasstone, Principles of Nuclear Reactor Engineering, 1956, S. 841, 842.

In Betracht gezogene ältere Patente: Deutsches Patent Nr. 1129 713.

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