DE1758397B2 - Verwendung einer vanadiumlegierung hoher zeitstandfestigkeit als kernreaktorwerkstoff - Google Patents

Description

insgesamt jedoch nicht mehr als 0,3%, Rest Vanadium, sowie mit herstellungsbedingten üblichen ge-

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Reaktor- ringsten metallischen Verunreinigungen, als Werkwerkstoffe. Gegenstand der vorliegenden Erfindung 30 stoff zur Herstellung von Konstruktionsteilen und ist die Verwendung einer Vanadiumlegierung mit Brennelementhüllen in Kernreaktoren, insbesondere niedrigen Gehalten an Titan, Zirkonium und/oder Schnellen Brutreaktoren.

Hafnium. Die erfindungsgemäße zur Verwendung Unter üblichen metallischen Verunreinigungen sind

vorgeschlagene Vanadiumlegierung mit weniger als nach Art und Menge solche Metalle zu verstehen,

2,8% Titan, Zirkonium und/oder Hafnium, eignet 35 die durch die Herstellungsverfahren bedingt in dem

sich als Werkstoff zur Herstellung von Konstruktions- Vanadium enthalten sind. Solche Verunreinigungen

teilen und Brennelementhüllen in Kernreaktoren, ins- sind in Mengen von höchstens je 0,1 % enthalten,

besondere Schnellen Brutreaktoren. beispielsweise je bis 0,07% Eisen, Chrom und Nickel,

Vanadiumlegierungen des binären Systems V—Ti, bis 0,03 % Kupfer.

V-Zr und V-Hf sind an sich bekannt (Hansen, 40 In den erfindungsgemäß zu verwendenden Legie-

»Constitution of Binary Alloys«, 1958, S. 1241 bis rungen können die Elemente Titan, Zirkonium und

1254; »Journ. less-comm Met.«, Vol. 15, 1968, S. 16). Hafnium einzeln oder gemeinsam in dem beanspruch-

Es sind ferner Vanadiumlegierungen bekannt, die ten erfindungsgemäßen Bereich anwesend sein. Gehalte

im wesentlichen aus 15 bis 60% Niob, 3 bis 25% von Zirkonium und/oder Hafnium neben Titan

Titan, Rest Vanadium bestehen (kanadische Patent- 45 erhöhen den Oxidationswiderstand. Auch in den

schrift 716 521). Auf Grund ihrer mechanischen Fällen, in denen eine zusätzliche Verbesserung der

Eigenschaften bei erhöhter Temperatur und ihres Duktilität gewünscht wird, ist es vorteilhaft, den

guten Korrosionsverhaltens in wäßrigen und gas- Titangehalt der erfindungsgemäßen Legierung ganz

förmigen Medien werden sie als Werkstoff für An- oder teilweise durch Anteile von Zirkonium und/oder

triebsysteme in der Luft- und Raumfahrt und für 50 Hafnium zu ersetzen. Zirkonium und/oder Hafnium

Kernreaktoren vorgeschlagen. Als Kernreaktorwerk- enthaltende Vanadiumlegierungen haben beispiels-

stoffe besitzen sie jedoch auf Grund ihres hohen weise die Zusammensetzung:

Niobgehaltes ungünstige neutronenphysikalische 1 % Hafnium oder Zirkonium

Eigenschaften. Es sind binäre und ternare Vanadium- _{n M} ■_· _{n ns 0}/ c_o,i»^ctr>ff

legierungen bekannt, die 5 oder 2 8 % Titan enthalten. 55 _{0 02 bis 0 06} o/ Kohlenstoff

Von den vorbekannten Vanadiumlegierungen mit 0,02 bis 0,06% Stickstoff, Rest Vanadium mit

Titangehalten unter 5% ist ein gutes Zeitstandver- Verunreinigungen von je etwa

halten (lOOO-Stunden-Zeitstandfestigkeit) bekannt, wo- _{0 03 0/ Ei Nicke]< chrom}

bei die ternaren V-Ti-Nb-Legierungen auf einem _{etwa 0} Q₁ <y Kupfer

höheren Niveau der 1000-Stunden-Zeitstandfestigkeit 60 '

liegen (»Journ. less-common Met.«, Vol. 12, 1967, In den erfindungsgemäß zu verwendenden Vana-

S. 280 bis 293). Es ist des weiteren vorveröffentlicht, diumlegierungen sind als nichtmetallische Stoffe die

daß je nach dem Herstellungsverfahren Vanadium- Elemente Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff in

metall schwankende Mengen an Kohlenstoff. Stick- Mengen von zusammen nicht mehr als 0,3 % enthalten, stoff, Sauerstoff und metallischen Verunreinigungen 65 Vorzugsweise liegen diese Elemente in Mengen von

enthält (Schreiter, »Seltene Metalle«, Bd. Ill, 0,02 bis 0,06% Kohlenstoff, 0,02 bis 0,06% Stick-

1962, S. 300, und »Tu m a η ο w und Portno w«, stoff und 0,04 bis 0,1 % Sauerstoff, vor. Die an sich

Handbuch »Schwerschmelzbare Materialien im Ma- versprödende Wirkung dieser Elemente auf Vanadium-

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legierungen wird durch Gehalte von Titan. Zirkonium und/oder Hafnium weitgehend aufgehoben, Die entstehenden Hartstoffphasen bewirken ferner eine Korn» feinung und eine Verbesserung der Zeitstandfestigkeit.

Durch einen Zusatz von Silicium kann ferner eine S weitere Steigerung der Festigkeitseigenschaften der erfindungsgemäß zu verwendenden Vanadiumlegierung durch eine zusätzliche Aushärtung erzielt werden.

Im allgemeinen genügen Zusätze von 0,1 bis 2% Silicium, vorzugsweise 0,5 bis 1,5 % Silicium, um eine erhebliche Steigerung herbeizuführen.

Besonders vorteilhaft im Hinblick auf uine hohe Zeitstandfestigkeit im Langzeitversuch bei Temperaturen von 600 bis 800⁰C hat sich eine Legierung der Zusammensetzung

1,0 bis 2,5% Titan

0,04 bis 0,08% Sauerstoff

0,02 bis 0,06% Kohlenstoff

0,02 bis 0,06% Stickstoff, Rest Vanadium mit

Verunreinigungen von je etwa ^ao 0,03% Eisen, Nickel, Chrom,
etwa 0,01% Kupfer

erwiesen. Eine derartige Legierung mit 1% Titan weist eine überraschend hohe Zeitstandfestigkeit auf. Mit Standzeiten von 1000 Stunden bei einer Belastung von 52kp/mm² bei 65O⁰C und Standzeiten von 10 000 Stunden bei einer Belastung von etwa 40kp/mm² bei 65O°C ist sie jeder bisher bekannten Titan enthaltenden und Niob und Titan enthaltenden Vanadiumlegierung überlegen.

Diese bemerkenswerte hohe Zeitstandfestigkeit wird ohne Gehalte an die Festigkeit an sich steigerndem Niob erzielt und dadurch auch gleichzeitig die Neutronenökonomie derartiger Legierungen gegenüber Niob enthaltenden Legierungen erheblich verbessert.

Die erfindungsgemäß zu verwendenden Vanadiumlegierungen können nach an sich bekannten metallurgischen Methoden, beispielsweise durch Zusammenschmelzen unter Vakuum oder Edelgasatmosphäre oder nach pulvermetallurgischen Verfahren durch Sintern hergestellt werden. Als Schmelzofen eignen sich beispielsweise Elektronenstrahl- oder Lichtbogenofen. Die Weiterverarbeitung der VaniHi'imlegierungen zu Formteilen erfolgt gleichfalls nach an sich bekannten Methoden durch Strangpressen, Schmieden, Walzen und Ziehen.

Der erfindungsgemäße Werkstoff aus Vanadiumlegierungen weist Vorteile auf. Die überraschend hohe Zeitstandfestigkeit, der kleine Neutroneneinfangquerschnitt, die hohe Korrosionsbeständigkeit gegen flüssige Alkalimetalle sowie die gute Verformbarkeit der Vanadiumlegierungen des beanspruchten Bereichs sind entscheidende Voraussetzungen für ihre Verwendung als Werkstoff für Konstruktionsteile und Brennelementhüllen in Kernreaktoren. Die Vanadiumlegierung der Erfindung läßt sich überall dort mit besonderem Vorteil als Werkstoff einsetzen, wo die hieraus gefertigten Bauelemente oder Formteile eine hohe Zeitstandfestigkeit bei Temperaturen zwisehen 500 und 1000⁰C, vorzugsweise zwischen 600 Vind 800⁰C₁ gleichzeitig eine hohe Korrosionsbeständigkeit gegen flüssige Alkalimetalle, insbesondere Natrium, ferner eine geringe Versprödungsneigung bei Neutronenbestrahlung im Temperaturbereich zwischen 600 bis 800⁰C und eine geringe Neutronenabsorption aufweisen müssen, wobei diese Eigenschaften aber auch einzeln von dem Werkstoff gefordert werden können. Schließlich besitzen die erfindungsgemäß zu verwendenden Vanadiumlegierungen eine gute Verarbeitbarkeit in der Wärme, da sie gegenüber Niob enthaltenden Vanadiumlegierungen durch einen geringeren Verformungswiderstand sich auszeichnen. Die Vanadiumlegierungen der Erfindung finden insbesondere Verwendung als Werkstoff zur Herstellung von Konstruktionsteilen und Brennelementhüllen in natriumgekühlten Schnellen Brutreaktoren.

Im nachstehenden Beispiel wird das Zeitstandverhalten einer Legierung des erfindungsgemäßen Bereiches im Vergleich zu einer niobhaltigen Titan-Vanadium-Basislegierung angegeben.

Standzeit
(Stunden)

100

1000

10 000

Zeitstandfestigkeit
Vanadium + 2°/„Titan

50 67

40 52

36 40

Prüf temperatur: 650°C

(kp/mm^a)

Vanadium + 2°/oTitan + 15 »/»Niob

Reide Legierungen hatten

einen Sauerstoffgehalt: 0,06 bis 0,08%

einen Kohlenstoffgehalt: 0,04 bis 0,06 %

einen Stickstoffgehalt: 0,03 bis 0,05%

und im Vanadium Verunreinigungen von je etwa 0,03% Eisen, Nickel, Chrom; etwa 0,01% Kupfer. Aus den Festigkeitswerten geht hervor, daß die niobfreie Vanadiumlegierung zwar eine geringere Festigkeit bei Versuchsbeginn aufweist, daß der Unterschied aber mit steigender Standzeit immer geringer wird. Ein derartiges I'estigkeitsverhalten war von den erfindungsgemäß zu verwendenden binären Vanadiumlegierungen nicht zu erwarten. Während diese binären Vanadiumlegierungen der Erfindung fernerhin einen Einfangquerschnitt für schnelle Neutronen von 9,4 mbarn besitzen, weisen demgegenüber vorbekannte ternäre Legierungen der Zusammensetzung V—2Ti—15 Nb einen sehr ungünstigen Einfangquerschnitt von 23 mbarn auf. Der relativ hohe Niobgehalt der vorbekannten ternären Vanadiumlegierungen erschwert auch in unerwünschtem Maße die Umformbarkeit dieser Legierungen sowohl bei Raumtemperatur als auch bei hohen Temperaturen. Demgegenüber besitzen die erfindungsgemäß zur Verwendung vorgeschlagenen binären Vanadiumlegierungen bei den genannten Temperaturen eine gute Verformbarkeit.

Claims (3)

schinenbau«, 1967, Verlag Maschinenbau [rues.], Patentansprüche: S. 130, 131 und 49). Aus letzterer Literaturstelle ist auch bekannt, daß Legierungen aus Vanadium mit

1. Verwendung einer Legierung der Zusammen- Titan und Zirkonium durch Zusätze von Silizium setzung 0,1 bis weniger als 2,8%, vorzugsweise s und anderen Elementen in der Festigkeit erhöht 1 bis 2,5% Titan, Zirkonium und/oder Hafnium werden. Die vorbekannten Vanadiumlegierungen erfülmit Gehalten an Kohlenstoff, Stickstoff und len bisher nicht im gewünschten Umfang die an einen Sauerstoff, jeweils von 0,01 bis 0,15%, insgesamt Reaktorwerkstoff gestellten Anforderungen, sw es, jedoch nicht mehr als 0,3%, Rest Vanadium, daß sie eine ungünstige Neutronenökonomie, zu sowie mit herstellungsbedingten üblichen, gering- ¹⁰ geringe Zeitstandfestigkeiten oder erhebliche Versten metallischen Verunreinigungen, als Werkstoff arbeitungsschwierigkeiten aufweisen.

zur Herstellung von Konstruktionsteilen und Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen

Brennelementhüllen in Kernreaktoren, insbeson- Reaktorwerkstoff auf Basis Vanadiumlegierung bereit-

dere Schnellen Brutreaktoren. zustellen, der eine hohe Zeitstandfestigkeit im Lang-

2. Verwendung einer Legierung der im An- 15 zeitversuch besitzt und der für den Einsatz insbesonspruch 1 genannten Zusammensetzung mit Gehal- dere im Reaktorbau als Konstruktionsmaterial oder ten an Kohlenstoff von 0,02 bis 0,06%, Stickstoff für Hüllrohre mit für einen derartigen Einsatz intervon 0,02 bis 0,06% und Sauerstoff von 0,04 bis essierenden Zeitstandfestigkeiten von mehr als 0,1 % für den im Anspruch 1 genannten Zweck. 10 000 Stunden geeignet ist.

3. Verwendung einer Legierung nach einem 20 Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung der Ansprüche 1 und 2 mit einem zusätzlichen eine im wesentlichen binäre Vanadiumlegierung vor. Siliciumgehalt von 0,1 bis 2 %, vorzugsweise 0,5 Demgemäß besteht die Erfindung in der Verwendung bis 1,5 % für den im Anspruch 1 genannten Zweck. einer Legierung der Zusammensetzung 0,1 bis weniger

als 2,8%, vorzugsweise 1 bis 2.5% Titan, Zirkonium 25 und/oder Hafnium, mit Gehalten an Kohlenstoff,

Stickstoff und Sauerstoff jeweils von 0,01 bis 0,15%,