DE1807286C3

DE1807286C3 - Use of a directionally solidified aluminum-cerium alloy

Info

Publication number: DE1807286C3
Application number: DE19681807286
Authority: DE
Inventors: Giovanni Dr Varese Piatti (Italien)
Original assignee: Europaische Atomgemeinschaft (EURATOM), Brüssel
Priority date: 1967-11-02
Filing date: 1968-11-01
Publication date: 1977-07-21

Description

In Kernreaktoren wird Aluminium aus neutronenwirtschaftlichen Gründen oft als Baumaterial, beispielsweise zur Herstellung der Spaltstoffumkieidung, verwendet. Aluminium ist in reiner Form bei erhöhter Temperatur jedoch nicht ausreichend fest, so daß man seit geraumer Zeit dazu übergegangen ist. dispersionsgehärtete Aluminiumlegierungen zu verwenden, die in einer Matrix aus Aluminium eine zweite Phase aus einem anderen Metall enthalten. Diese zweite Phase kann aus Fasern, beispielsweise aus Silikatfasern, bestehen. Auch ist eine DisDersionslegierung mit der Handelsbezeichnung SAP bekannt, bei welcher die zweite Phase aus Aluminiumoxidteilchen besteht. Man erhält diese Legierung durch oberflächliches Oxydieren eines fein verteilten Aluminiumpulvers oder durch sein mechanisches Vermischen mit einem Oxid. Das erhaltene Gemisch wird dann gepreßt, gesintert und auf verschiedene Arten, beispiels α eise durch Strangpressen, in die Form von Stäben oder Platten gebracht.In nuclear reactors, aluminum is often used as a building material for reasons of neutron economy, for example used for the production of the cladding material. In its pure form, however, aluminum is not sufficiently solid at elevated temperature, so that one has switched to this for some time. to use dispersion-hardened aluminum alloys, which are used in a matrix made of aluminum contain a second phase made of a different metal. This second phase can consist of fibers, for example silicate fibers. A dispersion alloy with the Known trade name SAP, in which the second phase consists of aluminum oxide particles. Man This alloy is obtained by superficial oxidation of a finely divided aluminum powder or by being mechanical mixing with an oxide. The mixture obtained is then pressed, sintered and on different types, for example α eise by extrusion, brought into the shape of rods or plates.

Ein Nachteil von S\P ist die geringe Verformbarkeit bei erhöhtes· Temperatur.A disadvantage of S \ P is the poor deformability at elevated temperature.

Man hat nun bei Verbundwerkstoffen, die durch gerichtete Erstarrung eutektischer Legierungen hergestellt werden, eine Untersuchung durchgeführt, um das Zeitstand- und Ermüdungsverhalten von whiskerversiärktem Aluminium bestimmen und verbessern zu können (Nickel-Berichte 25 [1967]. Nr.Jl. Seiten 349 und 350). Dabei konnte bei einem Überblick über verfügbare binäre Pnasengleichgewichte auch von Systemen auf Basis von Aluminium gezeigt werden, daß viele Eutektika für die Herstellung gerichtet erstarrter faserverstärkter Verbundwerkstoffe genutzt werden können.One has now with composite materials, which produced by directional solidification eutectic alloys are carried out, an investigation into the creep and fatigue behavior of whiskers-reinforced To be able to determine and improve aluminum (Nickel -berichte 25 [1967]. Nr.Jl. pages 349 and 350). With an overview of available binary nose equilibria, Systems based on aluminum are shown to have many eutectics for the production of directionally solidified fiber-reinforced composite materials can be used.

Es wurde gefunden, daß sich auch eine eutektische Schmelze aus Aluminium und Cer für dieses bekannte Herstellungsverfahren eignet. Darüber hinaus wurde festgestellt, daß sich ein solcher Verbundwerkstoff besonders für Formteile eines Kernreaktors eignet.It has been found that there is also a eutectic Melt of aluminum and cerium is suitable for this known manufacturing process. In addition, was found that such a composite particularly suitable for molded parts of a nuclear reactor.

Daher wird erfindungsgemäß die Verwendung einer gerichtet erstarrten Aluminium-Cer-Legierung mit 5 bis 15% Cer für Formteile mit verbessertem Zeitstandverhalten, insbesondere für thermisch beanspruchte Teile eines Kernreaktors, vorgeschlagen.Therefore, according to the invention, the use of a directionally solidified aluminum-cerium alloy with 5 to 15% cerium for molded parts with improved creep behavior, especially for parts subject to thermal stress a nuclear reactor.

Urn eine solche Aluminium-Cer-Legierung herstellen zu können, kann man von einer schmelzflüssigen Legierung aus Aluminium mit der gewünschten Menge Cer ausgehen, wobei man die Schmelze dann in vorbestimmter Richtung abkühlen läßt. Bei diesem Verfahren werden die AUCe-Fasern (Whiskers) aus der Flüssigphase ausgefällt, wobei sie eine mehr oder weniger gleichmäßige Richtung erhalten. In order to be able to produce such an aluminum-cerium alloy, one can start from a molten alloy of aluminum with the desired amount of cerium, the melt then being allowed to cool in a predetermined direction. In this process, the AUCe fibers (whiskers) are precipitated out of the liquid phase, giving them a more or less uniform direction.

Dieses Verfahren kann durchgeführt werden, indem eine senkrechte Säule des schmelzflüssigen Materials durch eine horizontal angeordnete Kühlzone hindurchbewegt wird. Dies ist möglich mit einer in der beiliegenden Zeichnung sciiematisch und nicht maßstabgerecht dargestellten Vorrichtung. Das zu behandelnde Material befindet sich in teils flüssiger (L)und teils fester Form (S) in einem Graphittiegel 1, der nach unten erst durch einen Ofen 2 und dann durch einen Wassersprühring 3 hindurchbewegt werden kann. In den Mantel 4 wird ein ineries Gas, beispielsweise Argon, eingebracht. Das Kühlwasser kommt aus einem Behälter 5 und fließt an dem Tiegel nach unten. Der Tiegel ist mittels Schrauben 8 an dem Halter 6 mit Oberplatte 7 festgeklemmt. Der Tiegel bewegt sich mit den Teilen 6, 7 und 8 mit einer Geschwindigkeit abwärts, die sich verändern läßt. Auf diese Weise lassen sich auch Rohre herstellen, beispielsweise durch Verwendung eines doppelwandigen Graphittiegels, während sich die erhaltenen Produkte noch zu Stäben. Platten und dergleichen verformt werden können.This process can be carried out by moving a vertical column of the molten material through a horizontally disposed cooling zone. This is possible with a device shown scientifically and not to scale in the accompanying drawing. The material to be treated is partly in liquid (L) and partly in solid form (S) in a graphite crucible 1, which can first be moved downward through an oven 2 and then through a water spray ring 3. An inert gas, for example argon, is introduced into the jacket 4. The cooling water comes from a container 5 and flows down the crucible. The crucible is clamped to the holder 6 with the top plate 7 by means of screws 8. The crucible moves with parts 6, 7 and 8 downwards at a speed which can be varied. In this way, tubes can also be produced, for example by using a double-walled graphite crucible, while the products obtained are still rods. Plates and the like can be deformed.

Dieses Verfahren, bei welchem die Abkühlung in bestimmter Richtung erfolgt, bietet verschiedene Vorteile wie Einfachheit, gute Reproduzierbarkeit und verhältnismäßig niedrige Kosten, während ein Material mit gerichteten Fasern erzielt wird, die über die Matrix gleichmäßig verteilt und in sie gut eingebettet sind.This method, in which the cooling takes place in a certain direction, offers various options Advantages such as simplicity, good reproducibility and relatively low cost while one material is achieved with directed fibers that are evenly distributed over the matrix and well embedded in it.

Als Beispiel wurde gemäß dem vorstehend beschriebenen Verfahren ein Stab aus der erfindungsgemäß verwendeten Legierung hergestellt. Fa wurde von einer Legierung ausgegangen, die aus sehr reinem Aluminium (99.99%) und 10% Cer bestand. Das Cer an sich enthielt außerdem folgende Elemente (in %): 0,03 Pr; 0,02 Nd: 0,01 La: 0,005 Mg; 0.005 Fe. Diese Legierung wurde bei etwa 420 C zu einem Stab mit einem Durchmesser von etwa 9.5 mm stranggepreßt. Darauf wurde dieser Stab in den Graphittiegel gemäß der Zeichnung eingebracht, geschmolzen und bei einer Durchführgeschwindigkeit von etwa 50 cm/h abgekühlt. ]edoch wurden auch gute Ergebnisse bei Geschwindigkeiten von I bis 70 cm/h erzielt. Es entstand eine Dispersionslegierung in zwei Phasen, und /war aus Al und AUCe, mit einem Schmelzpunkt von etwa b38 C und einer errechneten Neutronenabsorption von 0,0145 cm-'. Die Legierung ist wärmebeständig bis 500 C und hat bei 20 und 450 C folgende mechanische Eigenschaften; /um Vergleich sind in Klammern die entsprechenden Eigenschaften eines SAP nut 7% Aluminiumoxid angegeben.As an example, according to that described above Method produced a rod from the alloy used according to the invention. Fa was made by one Assumed an alloy that consisted of very pure aluminum (99.99%) and 10% cerium. Which contained cerium in itself also the following elements (in%): 0.03 Pr; 0.02 Nd: 0.01 La: 0.005 Mg; 0.005 Fe. This alloy became a rod with a diameter of about 9.5 mm extruded. Then this rod was placed in the graphite crucible according to the drawing, melted and cooled at a feed rate of about 50 cm / h. ] But there were also good ones Results achieved at speeds from 1 to 70 cm / h. A dispersion alloy in two was produced Phases, and / was from Al and AUCe, with one Melting point of about 38 C and a calculated neutron absorption of 0.0145 cm- '. The alloy is heat resistant up to 500 C and has at 20 and 450 C. the following mechanical properties; / for comparison, the corresponding properties are in brackets of a SAP only indicated 7% aluminum oxide.

Elastizitätsgrenze <j0,2
Zugfestigkeit oh
Bruchdehnung λElastic limit <j0.2
Tensile strength oh
Elongation at break λ

(in kp/mm²)
(in kp/mm-')
(in %)(in kp / mm ² )
(in kp / mm- ')
(in %)

20⁰C20 ⁰ C

25 25 4,5 4 50° C25 25 4.5 4 50 ° C

(17.2)(17.2)

(25)(25)

(21.1)(21.1)

8,9
9.1
19.28.9
9.1
19.2

(17.4)
(7.5)(17.4)
(7.5)

Nach 1000 Stunden bei 450"C betragen o_B2,4 kp/mm² und <) 1,5%. Terphenyl war bei 400⁰C während 1430 Stunden ausgezeichnet.After 1000 hours at 450 ° C., o _{B are} 2.4 kp / mm ² and <) 1.5%. Terphenyl was ^{excellent at 400 °} C. for 1430 hours.

Die Korrosionsbeständigkeit gegenüberThe corrosion resistance to

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Claim:

Use of a directionally solidified aluminum-cerium alloy with 5 to 15% cerium for molded parts with improved creep behavior, especially for thermally stressed parts of a nuclear reactor.