DE1558490B2 - Verwendung einer binaren Aluminium-Niob-Legierung als Werkstoff fur die Kerntechnik - Google Patents

Description

Legierungen mit einer Aluminiummatrix sind auf dem Gebiet der Kerntechnik von großem Interesse, insbesondere als Brennelementhülle, und zwar hauptsächlich wegen des geringen Neutronen-Absorptionsquerschnitts dieses Elements. Auch besteht bis zu Temperaturen in der Größenordnung von 45O⁰C eine gute Verträglichkeit mit organischen Flüssigkeiten (Terphenylgemischen). Um in Reaktoren nutzbringend verwendet werden zu können, müssen diese Legierungen im wesentlichen die folgenden Bedingungen erfüllen:

Sie müssen

a) gute mechanische Festigkeitseigenschaften aufweisen, um allen Beanspruchungen widerstehen zu können, denen diese Hüllen während sehr langer „ Zeiträume ausgesetzt sind, und

b) gute Eigenschaften hinsichtlich der Herstellung und Verarbeitung (Strangpressen, Drehen, Schweißen u. dgl.) besitzen, damit sich bei der Herstellung von Brennelementen keine Schwierigkeiten ergeben.

Die einzige für die vorstehend genannten Verwendungszwecke in der Kerntechnik bisher in Betracht gezogene Aluminiumlegierung ist das durch Sintern aus Al und Al₂O₃ erzeugte SAP (Sinteraluminium- ^6s pulver) in verschiedenen Sorten mit einem von 4 bis Gewichtsprozent veränderlichen Gehalt von Al₂O₃. Die Warmfestigkeit dieser Legierung ist gut; doch hat sie den Nachteil einer Dehnung, die mit der Temperatur bis auf sehr niedrige Werte, etwa 0,5% der Gleichmaßdehnung bei 450⁰C zurückgeht. Dies zwingt dazu, bei der Projektierung der Reaktoren umfangreiche Vorsichtsmaßnahmen zu treffen, damit das Material keinen Verformungen ausgesetzt wird. Die hitzebeständigen Aluminiumlegierungen, die eine bessere Formänderungsfähigkeit als das SAP besitzen, können nicht in Betracht gezogen werden, weil sie bei Temperaturen über 35O⁰C eine geringe mechanische Festigkeit aufweisen.

Eine sehr vorteilhafte Lösung wäre somit die eines Materials, das etwa die gleiche Warmfestigkeit wie das SAP in Verbindung mit einer guten Formänderungsfähigkeit besitzt und das außerdem eine gute Warmfestigkeit aufweist, die es ermöglicht, ein gutes Zeitverhalten zu erzielen.

Das Zustandsdiagramm des Systems Aluminium-Niob ist bekannt (R. P. Elliott, »Constitution of Binary Alloys, First Supplement«, 1965, S. 29 und 30).

Erfindungsgemäß wird die Verwendung einer binären Aluminium-Niob-Legierung vorgeschlagen, die Niob mindestens in einer Menge, die zur Bewirkung einer Dispersionshärtung ausreicht, höchstens jedoch in einer Menge von 20% enthält, und die eine feine gleichmäßige Verteilung von NbAI₃-Teilchen mit Abmessungen in der Größenordnung eines Mikrons in der Aluminiummatrix besitzt, als gut verarbeitbarer Werkstoff für die Kerntechnik, insbesondere für Brennelementhül'en, der bis zu Temperaturen von 450 bis 500⁰C gute mechanische Festigkeitseigenschaften aufweisen muß.

Zur Herstellung einer solchen Aluminium-Niob-Legierung, sieht die Erfindung vorteilhaft auch ein Verfahren vor, gemäß welchem NbAl₃-Teilchen und Aluminium bei einer Temperatur von über 1800°C vollständig geschmolzen werden, darauf von dieser Temperatur aus mit möglichst hoher Abkühlungsgeschwindigkeit zur Erstarrung gebracht und anschließend bei Temperaturen von minimal 580 bis 600⁰C bis maximal 750⁰C durch Pressen verdichtet, vorzugsweise stranggepreßt, werden.

Vorzugsweise wird die hohe Abkühlungsgeschwindigkeit bei der Erstarrung durch die im Anspruch 3 angegebenen Maßnahmen erzielt.

Im folgenden werden drei Beispiele beschrieben, die sich als besonders wirksam erwiesen haben.

Beispiel 1

Es wird eine hauptsächlich aus der Zusammensetzung NbAl₃ bestehende Vorlegierung hergestellt, indem gleiche Gewichtsteile Aluminium und Niob im Lichtbogenofen mit Wolframelektrode unter Heliumschutzgas vollständig geschmolzen werden; für das Schmelzen der Vorlegierung findet dann ein Hochfrequenzgenerator Verwendung, wobei Aluminium in einer solchen Menge hinzugefügt wird, daß man eine Legierung mit 10 Gewichtsprozent Niob erhält.

Die Legierung wird im zylindrischen Graphittiegel unter Argonfluß bei Temperaturen von über 1800⁰C geschmolzen. Nach vollendeter Schmelzung wird die Legierung in eine zylindrische Kupferform von 200 mm Durchmesser und 300 mm Höhe gegossen, in der ein Schlitz von 3 mm Dicke und 100 mm Länge vorgesehen ist. Auf Grund der großen Kupfermasse erhält man Platten aus sehr schnell abgekühlter Legierung mit homogenem Gefüge. Aus den so erhaltenen Gußstücken werden Scheiben und flache Stücke geschnit-

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ten, die nach entsprechendem Polieren zur Bildung frequenzgenerator beheizten horizontalen Graphiteines Barrens von 54 mm Durchmesser verwendet tiegel unter Schutzgas mit leichtem Argonüberdruck, werden. Dieser Barren wird, in eine dünne Aluminium- In den Tiegel wird das Al und das NbAl₃ in solchen folie gewickelt, 3 Stunden auf 580⁰C vorgewärmt und Mengen eingebracht, daß Legierungen mit 10,%igem dann in Form einer Stange von 9 'mm Durchmesser 5 Niobanteil entstehen, worauf bei einer Temperatur stranggepreßt. Zugversuche mit "dieser Stange haben von über 1800⁰C geschmolzen wird,
die folgenden Werte der mechanischen Eigenschaften Durch eine Bewegung von außen wird dann auf ergeben: vertikal übereinander angeordnete, schräggestellte Versuchstemperatur 450° C Kupferscheiben ausgegossen, die eine derartige Neigung

Gleichmaßdehnung 2 5V ^{10 aufweisen}> ^{daß das} flüssige Metall von einer Scheibe

Dehnung A 5 6o'°/ ^au^ ^'^{e andere} 'äuft und sich dabei teilt. Das Kupfer-

gerüst wird durch inneren Wasserumlauf gekühlt. Man

Unter entsprechenden Bedingungen ergeben SAP- erhält mit hoher Kühlungsgeschwindigkeit erstarrte Proben derselben Größe (4% Al₂O₃ und 7% Al₂O₃) Kügelchen und Stückchen. Die anschließende Behandeine 15 lung entspricht der nach Beispiel 1.

Gleichmaßdehnung 0,5% Beispiel 3

^{DehnUng A 5 9 bzW}· ⁵'^{5 %}· Man verfährt wie im Beispiel 1, mit dem Unter-

. . „ schied, daß die im Graphittiegel geschmolzene Legie-

Beispiel 2 _{20 rung e}j_nf_{acn au}f _ej_ne Kupferplatte von 20 mm Dicke

Es wird die Vorlegierung nach Beispiel 1 verwendet. gegossen wird, die sowohl waagerecht als auch leicht

Das Schmelzen erfolgt in einem durch einen Hoch- geneigt angeordnet sein kann.

Claims (3)

i O DO Patentansprüche:

1. Verwendung einer binären Aluminium-Niob-Legierung, die Niob mindestens in einer Menge, die zur Bewirkung einer Dispersionshärtung ausreicht, höchstens jedoch in einer Menge von 20% enthält, und die eine feine gleichmäßige Verteilung von NbAI₃-Teilchen mit Abmessungen in der Größenordnung eines Mikrons in der Aluminiummatrix besitzt, als gut verarbeitbarer Werkstoff für die Kerntechnik, insbesondere für Brennelementhüllen, der bis zu Temperaturen von 450 bis 500⁰C gute mechanische Festigkeitseigenschaften aufweisen muß.

2. Verfahren zur Herstellung einer gemäß Anspruch 1 als gut verarbeitbarer Werkstoff für die Kerntechnik verwendbaren binären Aluminium-Niob-Legierung, dadurch gekennzeichnet, daß NbAl₃-Teilchen und Aluminium bei einer Temperatur von über 1800⁰C vollständig geschmolzen werden, darauf von dieser Temperatur aus mit möglichst hoher Abkühlungsgeschwindigkeit zur Erstarrung gebracht und anschließend bei Temperaturen von minimal 580 bis 600⁰C bis maximal 75O°C durch Pressen verdichtet, vorzugsweise stranggepreßt, werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze zur Erzielung einer möglichst hohen Abkühlungsgeschwindigkeit in Formen aus Kupfer oder auf Platten aus Kupfer oder einem anderen Metall hoher Leitfähigkeit gegossen wird, die eine große Dicke besitzen oder mit bekannten Mitteln, durch Spritzkühlung oder Zerstäubung, gekühlt werden.