DE2528610A1 - Nickel-chrom-eisen-legierung, deren verwendung und daraus hergestellte gegenstaende - Google Patents

Nickel-chrom-eisen-legierung, deren verwendung und daraus hergestellte gegenstaende

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DE2528610A1 DE19752528610 DE2528610A DE2528610A1 DE 2528610 A1 DE2528610 A1 DE 2528610A1 DE 19752528610 DE19752528610 DE 19752528610 DE 2528610 A DE2528610 A DE 2528610A DE 2528610 A1 DE2528610 A1 DE 2528610A1
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Melvin L Bleiberg
Sidney Diamond
Arthur F Rowcliffe
John A Spitznagel
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    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C38/00Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/40Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
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Description

  • Nickel-Chrom-Eisen-Legierung, deren Verwendung und daraus hergestellte Gegenstände Die vorliegende Erfindung betrifft Nickel-Chrom-Eisen-Legierungen, welche besonders bei hohen Temperaturen bis zu 720 0C brauchbar sind und insbesondere in Kernreaktoren mit flüssige gem Natrium als Energieübertragungsmedium verwendet werden.
  • Formteile und Gegenstände aus diesen Legierungen zeigen nur sehr geringe Korrosion und schwellen auch unter intensiver Bestrahlung nur wenig an, wenn solche Teile für die vorgesehene Lebensdauer den Bedingungen in einem Kernreaktor, d.h. intensive Strahlung und Berührung mit flüssigem Natrium, ausgesetzt werden.
  • Nickel-Chrom-Eisen-Legierungen sind dem Fachmann im allgemeinen gut bekannt und viele dieser Legierungen sind in Metalls Handbook, Band 2, 8. Auflage (1964) der American Society for Metals beschrieben, insbesondere in dem Kapitel mit der Uberschrift t?Heat Treating of Stainless Steel and Heat Resisting Alloys", auf den Seiten 243 bis 267. Im Kapitel "Heat Treating of Stainless Steel" auf den Seiten 243 bis 254 werden die Eigenschaften und Kenndaten von austenischen rostfreien Stählen einschließlich der Wärmebehandlung, der Korrosionsbeständigkeit gegenüber Sauerstoff, der Erörterung der Sigma-Phase und ihrem möglichen Einfluß auf die Legierungseigenschaften genauso beschrieben wie die mechanischen Eigenschaften, welche die verschiedenen Ingierungen nach besonderen Verfahren der Wärmebehandlung aufweisen. Eine umfangreiche Darstellung der weiten Klasse von wärmebeständigen Legierungen ist im Kapitel "Heat Treating of Heat-Resisting Alloys enthalten, nämlich auf den Seiten 257 bis 267 des Metalls Handbook".
  • Unter diesen bekannten Legierungen kommt die in "Metals Handbook", Seite 258 beschriebene Legierung-HT den erfindungsgemäß vorgesehenen Legierungen hinsichtlich der Zusammensetzung am nächsten, wobei die bekannte Legierung-HT aus 15% Chrom, 35% Nickel, 0,55 Kohlenstoff, Rest Eisen besteht. Diese Legierung wird als Gußlegierung beschrieben und augenscheinlich ist nicht beabsichtigt, diese Legierung kalt oder warm zu bearbeiten oder sonstwie in die Form von Teilen oder Werkstücken zu bringen, sondern die bekannte Legierung-HT wird einfach als Guß verwendet, der in den meisten Fällen durch Schleifen oder maschinelle Bearbeitung in die gewünschte endgültige Form mit der angestrebten Oberflächenbeschaffenheit gebracht wird, ohne daß die Korn- bzw. Faserstruktur, das Gefüge oder die Form wesentlich verändert werden, wie dies bei entsprechender Heiß- und/oder Kaltbearbeitung erfolgt.
  • Zur Zeit stellen mit flüssigem Metall gekühlte, schnelle Brutreaktoren (LMFIBR von liquid metal fast breeder reactors) eine wichtige Entwicklung auf dem Feld der .,Energiegewinnung dar. In diesen Reaktoren wird flüssiges Natrium als Medium für die Energieabsorbierung aus den Brennelementen des Reaktorkerns verwendet. Beim praktischen Gebrauch hat das flüssige Natrium eine Temperatur von etwa 530 bis 650°C, wobei gelegentliche örtliche Überhitzungen bis zu 720°C auftreten können. Natürlich muß das in diesen Reaktoren verwendete flüssige Natrium soweit wie möglich frei von Sauerstoff oder Wasser sein, damit die Bildung von Natriumoxiden verhindert wird, welche auf viele andere Metalle äußerst korrosiv wirken; trotzdem muß bedacht werden, daß geschmolzenes Natrium selbst ein korrosives Material darstellt und sich viele metallische Elemente darin bis zu einem gewissen Ausmaß lösen. So sind Eisen, Nickel und Chrom in mäßigem Ausmaß in heißem Natrium löslich. In derartigen Kernreaktoren strömt das geschmolzene Natrium von den Bereichen mit höchster Temperatur in der Nachbarschaft der Brennelemente zu einem Wärmetauscher, wo die Temperatur des flüssigen Natriums beträchtlich gesenkt wird; Elemente, welche in Natrium bei hohen Temperaturen eine höhere Löslichkeit aufweisen, erreichen daher bei tieferen Temperaturen einen Punkt, wo ein Teil der gelösten Elemente wegen ihrer geringeren Löslichkeit ausgefällt wird und sich auf den Oberflächen des Wärmetauschers niederschlagen kann, was im Ergebnis zu einem Transport von metallischen Elementen aus dem Bereich der Brennelemente des Reaktors zu dem Wärmetauscher führen kann. Dies führt zu unerwünschten Ergebnissen, da Metall aus den Brennelementen und den im Reaktorkern vorhandenen Komponenten entfernt und auf den Oberflächen des Wärmetauschers niedergeschlagen wird.
  • Auf diesen Gesichtspunkt wurde auch anläßlich des "Symposium on Chemical Aspects of Corrosion and Mass Transfer AIMG - 1971" hingewiesen, insbesondere in dem Papier "Sodium Corrosion Behavior of Alloys for Fast Reactor Applications von G.A. Whitlow et al, wo im einzelnen die Korrosionseigenschaften einiger Metalle aufgeführt sind, welche in Legierungen für Werkstücke und Teile enthalten sind, die z.Z. für LMFBR-Reaktoren in Betracht kommen.
  • So ist der gut bekannte frostfreie Stahl 316" für Bestandteile in LMFBR-Systemen vorgeschlagen worden, etwa für die UmhUllungen von Brennelementen, für Leitungen, für die Tragegitter und andere stukturelle Bestandteile. Bei hoher Bestrahlung bzw.
  • Strahlenbelastung in der Größenordnung von 1023 nvt. wurde gefunden, daß der frostfreie Stahl 316 und ähnliche Legierungen sehr stark anschwellen. Aufgrund dieses Anschwellens verkrümmen, verbiegen oder verziehen sich Bestandteile, welche etwa "rostSreien Stahl 316" enthalten beträchtlich in üblicher Weise zufälligen und nicht vorhersagbaren Richtungen. Die Folge davon ist, außer es werden ausreichende Abstände und Zwischenräume vorgesehen, daß die Kanäle für das strömende flüssige Natrium und die Durchlässe rund um die Brennelemente herum beschränkt und stark verengt werden können, mit dem Ergebnis, daß die von den Brennelementen entwickelte Wärme nicht in geeigneter Form oder Gleichmäßigkeit von dem strömenden Natrium absorbiert werden kann. Unter diesen Bedingungen können örtliche Uberhitzungen, sogenannte "hot spots" auftreten, die mit einem starken Temperaturanstieg verbunden sind, was wiederum zu einer Beeinträchtigung der mechanischen Bestandteile, der Tragegitter für die Brennelemente und sonstiger Bestandteile, führen kann. Um nun einen angemessenen Raum für den Durchfluß des geschmolzenen Natriums zwischen oder durch die Leitungen, die Brennelemente, die Tragegitter und ähnliche Anordnungen zu gewährleisten, müssen außerordentlich großzügige Abstände und Zwischenräume vorgesehen werden, damit auch bei einem unter verkünftigen Bedingungen zu erwartenden Anschwellen des Materials mit dem damit verbundenen Abbiegen und Verkrümmen zu allen Zeiten während der vorgesehenen Lebensdauer der Reaktorteile ein angemessener Durchfluß des flüssigen Mediums gewährleistet bleibt.
  • Eine der wesentlichsten Eigenschaften eines Brutreaktors ist die Betriebszeit, welche für einen solchen Reaktor erforderlich ist, um den Anteil an im Reaktor produziertem spaltbaren Kernmaterial zu verdoppeln im Vergleich zu der ursppUnglich vorhandenen Menge an spaltbarem Kernmaterial. Der angestrebte, recht optimistische Verdopplungszeitraum für Brutreaktoren aus heutiger Entwicklung wird unter der Voraussetzung, daß optimale Materialien zur Verfügung stehen, mit ungefähr 10 Jahren angenommen.
  • Die Verdopplungszeit eines Brutreaktors ist sehr stark abhängig von solchen Faktoren wie dem gegenseitigen Zwischenraum zwischen den Brennstäben, der Umhüllung bzw. Abschirmung dieser Brennelemente und der Ergiebigkeit des Kernmaterials. Beträgt die erwartete Anschwellung beispielsweise 25%, so müssen die erforderlichen Zwischenräume zwischen den Brennelementen und sonstigen Bestandteilen so weit dimensioniert werden Urtl ein Verziehen und Verkrümmen zu erlauben, daß die Verdopplungszeit des Brutreaktors in der Größenordnung von 30 bis 40 Jahren oder mehr liegt. Liegt die erwartete Anschwellung der Legierung in der Großenordnng von 5%, so kann die Anordnung der Brennelemente und der Zwischenräume dazwischen und zwischen den anderen Bestandteilen entsprechend reduziert werden, so daß die Verdopplungszeit in der Großenordnung von 10 bis 15 Jahren liegt. Natürlich ist es von größter Wichtigkeit, die Brennelemente so nahe wie möglich aneinander anzuordnen als es die Sicherheit und technologische Begleitumstände erlauben, damit die kürzeste Verdopplungszeit erreicht wird. Die Wirksamkeit und Effizienz des Reaktors und seine Verdopplungszeit werden sehr stark verbessert bzw. verringert, wenn die Brennstäbe und andere Bestandteile des Reaktors möglichst nahe zueinander angeordnet werden können, wobei bereits alle Verkrümmungen und Verziehungen berücksichtigt worden sind, die im Verlauf des Betriebs über mehrere Jahre hinweg für Jeden Bestandteil erwartet werden können.
  • Ein zweiter kritischer Faktor, der bei der Gestaltung von Bestandteilen eines LMFBR-Reaktors in Betracht gezogen werden muß, ist das Ausmaß der Korrosion der Metalloberfläche durch das heiße Natrium, das daran vorbeiströmt. Insbesondere Nickellegierungen mit hohem Nickelgehalt reagieren mit dem geschmolzenen Natrium in beträchtlichem Ausmaß, wobei die Korrosion mtt zunehmendem Nickelgehalt noch ansteigt; beispielsweise wird eine Nickellegierung mit 70% Nickel an allen Oberflächen, welche dem geschmolzenen, 720 0C heißen Natrium ausgesetzt sind, mit einer Geschwindigkeit von 0,127 mm pro Jahr und mehr korrodiert. Da es angestrebt wird, daß beispielsweise die Brennelemente für einen LINFBR-Reaktor eine Lebensdauer in der Größenordnung von etwa 3 Jahren aufweisen, muß beispielsweise die Dicke der Umhüllung der Brennelemente ursprünglich so ausreichend stark sein, damit der Verlust von etwa 0,381 mm Wandstärke und mehr an allen Oberflächen, welche dem Natrium ausgesetzt sind und während des Gebrauchs in etwa 3 Jahren durch Korrosion entfernt werden, ausgeglichen wird und trotzdem eine ausreichend starke Metallwand zurückbleibt, welche allen Drücken und Beanspruchungen, die innerhalb dieser Zeitspanne vernünftigerweise auftreten können, widersteht. Auf der anderen Seite erhöht jede Zunahme der Dicke der Umhüllung nicht nur die Kosten des Brennelements, sondern vergrößert auch den Abstand zwischen den Brennelementen und den anderen Trägerteilen und führt ferner zu erhöhten Verlusten durch Neutroneneinfang.
  • Es ist daher durchaus verständlich, daß eine Legierung angestrebt wird, welche unter der intensiven Strahlungsbelastung, welche für die vernünftigerweise zu erwartende Lebensdauer von Teilen aus dieser Legierung für einen LMFBR-Reaktor zu erwarten ist, nur gering anschwillt und gleichzeitig nur gering korrodiert wird, wenn sie über die vorgesehene Zeitspanne mit Natrium in Berührung kommt.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine solche Legierung bereitzustellen.
  • Erfindungsgemäß wird eine Legierung bereitgestellt, welche bei hohen Temperaturen bis zu 7200C gute physikalische Eigenschaften aufweist, von geschmolzenem Natrium nur geringfügig korrodiert wird und unter Strahlenbelastung nur geringfügig anschwillt, wobei diese Legierung im wesentlichen aus 14 bis 19% Chrom, 25 bis 35 Nickel, 2 bis 3% Molybdan, 0,1 bis 1% Silicium, bis zu 0,5% Mangan, 0,03 bis 0,05 Kohlenstoff, bis zu 0,01% Schwefel, bis zu 0,01% Phosphor, bis zu 0,01% Bor, bis zu 0,01% Sauerstoff, bis zu 0,02% Stickstoff, ggf. geringe Anteile an zufälligen Verunreinigungen, Rest Eisen besteht, und einen NV-Wert von 1,6 bis 2,8 aufweist.
  • Zur vorliegenden Erfindung gehort auch die Verwendung der erfindungsgemäßen Legierung zur Herstellung von Werkstücken. Teilen und Formteilen, welche den extremen Bedingungen in Brutreaktoren standhalten, insbesondere in Brutreaktoren, welche mit flüssigem Natrium gekühlt werden. Die Bestandteile der erfindungsgemäßen Legierungen sind bevorzugt in den folgenden Mengen in der Legierung enthalten: Element bevorzugter Bereich Chrom 15 bis 18% Nickel 25 bis 30% Molybdän 2 bis 3% Silicium 0,25 bis 0,5% Mangan 0,25 bis 0,5% Kohlenstoff Schwefel weniger als 0,005 Phosphor weniger als 0,005% Bor bis zu 0,003% Sauerstoff bis zu 0,01 Stickstoff weniger als 0,002% Eisen Rest.
  • Ferner können die erfindungsgemäßen Legierungen geringe zuballige herstellungsbedingte Verunreinigungen in üblichen Anteilen enthalten.
  • Beispiele für die typische Zusammensetzung erfindungsgemäßer Legierungen sind in der folgenden Aufstellung enthalten: Element Legierung I Legierung II Legierung III Cr 15 17 18 Ni 25 30 35 Mo 2,5 2,5 3,0 Si 0,5 0,5 0,5 Mn 0,5 0,5 0,5 c 0,04 0,04 0,04 s 0,002 0,002 0,002 P 0,002 0,002 0,002 B 0,003 0,003 0,003 O2 0,01 0,01 0,01 N2 0,002 0,002 0,002 Fe Rest Rest Rest Nv 2,60 2,54 2,47 Zusätzliche Veränderungen der Legierungszusammensetzung sind dadurch möglich, daß der Borgehalt bis auf 0,01 ansteigt. Legierungen mit einem Borgehalt über 0,003% Bor, etwa bis zu 0,01 Bor weisen bei hohen Temperaturen von 7200 C verbesserte Duktilität auf.
  • Es ist festgestellt worden, daß eine Beziehung besteht, zwischen dem Ausmaß mit dem die erfindungsgemäßen Eisen-Nickel-Chrom-Legierungen unter intensiver Neutronenbestrahlung anschwellen und der berechneten Zahl der Elektronenfehl- oder -leerstellen in den Matrizen der Legierung. Es wurde gefunden, daß die von Boesch und Slaney entwickelte und in "Metal Progress", Band 86, Nr. 1, Seiten 109 bis 111 (Juli 1964) publizierte empirische Beziehung auch auf diese vorliegenden Legierungen anwendbar ist. Kurz gesagt, erlaubt diese Beziehung eine Vorhersage der Bildung der Sigmaphase in den Legierungen durch Berechnung der mittleren Anzahl von Elektronenfehlstellen in der Metallmatrix, wobei die folgende Gleichung verwendet wird: wobei Nv = die mittlere Zahl der Elektronenfehlstellen, M = der atomare Bruch bzw. Anteil für jedes Element und Nv = die individuelle Anzahl der Elektronenfehlstellen für jedes Element.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde gefunden, daß die durch diese Gleichung bestimmten Werte auch verwendet werden können, um die Beziehung zwischen Nv und dem Anschwellen unter intensiver Bestrahlung anzugeben. Bezogen auf diese Beziehungen sollen die erfindungsgemäßen Legierungen einen N Ñv-Wert zwischen 1,5 und 2,8 aufweisen damit eine minimale Anschwellung gewährleistet ist, wobei andere Faktoren, wie etwa die Korrosion durch Natrium, bereits berücksichtigt sind. Aus Gründen, die bislang noch nicht vollständig geklärt sind> weisen unter allen kommerziell zugänglichen Nickel-Chrom-Eisen-Legierungen die erfindungsgemäßen Legierungen, welche innerhalb dieses Nv -Bereiches liegen, für die gesamte Anschwellung einen merklich reduzierten Wert auf.
  • In einem bildlichen Sinne wurde mit diesem N Bereich von 1s6 bis 2,8 ein Fenster aufgefunden in der breiten Klasse von bekannten Eisen-Nickel-Chrom-Legierungen, das für ein gegebenes Ausmaß der Strahlenbelastung durch eine unerwartete, außerordentlich niedrige Anschwellung gekennzeichnet ist. Im allgemeinen zeigen die erfindungsgemäßen Legierungen, welche in diesen N Bereich fallen, eine Anschwellung von weniger als 5%, wenn sie einer Strahlenbelastung von etwa 3 x 1023 nvt ausgesetzt sind. In ihrer Größenordnung entspricht diese Gesamtstrahlenbelastung derjenigen Belastung, die innerhalb eines LMFBR-Reaktors innerhalb von 3 Jahren bei kontinuierlichem Betrieb bei einer Temperatur von 530 0C auftritt.
  • Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Legierungen werden die Legierungsbestandteile bevorzugt in einem Vakuum-Schmelzofen erschmolzen, etwa in einem Induktionsofen oder in einem Schmelzofen mit sich verbrauchender Elektrode. Zu den geringen Anteilen an anderen möglichen Verunreinigungen können solche Elemente wie Aluminium und Calcium gehören. Es ist wichtig, daß der Stickstoffgehalt so gering wie irgend möglich gehalten wird, um die durch Kernumwandlung erfolgende Heliumbildung möglichst gering zu halten. Bevor die Schmelze vergossen wird, kann sie einer Vakuumentgasung unterworfen werden, damit die Anteile an Stickstoff und anderen Gasen vermindert werden. Nachdem die geschmolzene Legierung zu Rohlingen vergossen worden ist, können diese heiß zu rohen Platten verarbeitet werden, woraus wiederum Barren, starke Stäbe oder Platten mit angenähert der endgültigen Form und Dicke erhalten werden. Nach Reinigung der Oberfläche können die heiß gewalzten Körper der entsprechenden Kaltbearbeitung unterworfen werden, welche angenähert zu einer 20 bis 30-igen Verminderung der Dicke führt, so daß im wesentlichen die endgültige Form und Oberflächengüerhalten wird. Natürlich kann sich an die Kaltbearbeitung das übliche Schleifen, maschinelle Bearbeiten und Polieren anschließen, damit die entsprechend dimensionierten Rohre, Träger, Gitter und Leitungen aus den kaltbearbeiteten Formen erhalten werden. Die Teile können anschließend warm behandelt werden, damit die gewünschten mechanischen Eigenschaften und die angestrebte Korngröße erzielt wird. Es ist erforderlich durch entsprechende Auswahl der Bestandteile die Bildung von unerwünschter Sigmaphase zu unterbinden; üblicherweise erfolgt dies dadurch, daß der Chromgehalt unterhalb von 19 und bevorzugt bei einem Maximalwert von etwa 18% gehalten wird. Die Entwicklung einer Struktur mit Sigmaphase ist unerwünscht, da deren Gegenwart zu einer verminderten Duktilität der Legierung führt, was wiederum nachteiiige Auswirkungen auf die Korrosionsbeständigkeit haben kann.
  • Das folgende Beispiel dient zur Erläuterung der Erfindung: Beispiel Aus den folgenden Bestandteilen, nämlich 55,8% Eisen, 26,3% Nickel, 15,1 Chrom, 2,19 Molybdän, 0,39% Silicium, O,037' Kohlenstoff und 0,03% Mangan wurde eine Legierungsschmelze hergestellt. Deren Gehalte an Phosphor und Schwefel lagen jeweils unter 0,01%, der Sauerstoffgehalt lag unter 0,01 und der Stickstoffgehalt lag unter 0,001, was sowohl durch eine Vakuumbehandlung der Schmelze wie durch die Verwendung von reinen metallischen Ausgangsmaterialien gewährleistet wurde. Die Legierung wurde vergossen, heiß geschmiedet, der Schmiedling in eine Glaskapsel eingekapselt, 16 Stunden lang bei 1038°C durch Glühung homogenisiert und anschließend an Luft abgekühlt. Die geglühte Legierung wurde jeweils in Stufen heiß und kalt gewalzt bis zu einer Blechdicke von 0,075 mm. Bei der abschließenden Kaltwalzung wurde eine Verminderung der Dicke von über 20 erzielt. Das fertige Blech wurde in ein hochschmelzendes Glasrohr eingekapselt, die Kapsel evakuiert und das Teil eine Stunde lang bei 103300 lösungsgeglüht und anschließend mit Wasser abgekühlt.
  • Für Vergleichszwecke wurden verschiedene Hochtemperaturlegierungen, repräsentative rostfreie Stähle und üblicher Stahl neutronen- tnd ioneninduzierter Strahlung ausgesetzt. Die folgende Tabelle I bringt für die verschiedenen herangezogenen Legierungen die Gesamtdosierung der Neutronen- und/oder Ionenbestrahlung und die durch diese Strahlung hervorgerufene Volumenänderung. Hierbei sind einige Versuchsergebnisse der Literatur entnommen. Ferner ist für die verschiedenen Legierungen der entsprechende N NV-Wert berechnet und angegeben worden.
  • Tabelle I Vergleich der Anschwellung durch Neutronenstrahlung und durch simulierte Ionenstrahlung: Material #(n/cm³) °C #V NV-Wert Vo Hastelloy-X 5,4(1022) 601 2,1 1,29 Inconel 600 4,5(1022) 499 0,13 1,54 Inconel 625 6,0(1022) 635 0,2 2,20 P.E. 16 4,2(1022) 499 0,3 2,29 Incoloy 800 5,4(1022) 643 0,3 2,56 ST316SS 6,0(1022) 499-551 4,0 2,90 ST304SS 6,0(1022) 499-499 6,0 2,94 Simulationsdaten Material Technik Äquivalent-Dosis °C V/V% NV-Wert Inconel Ni Ionen 1,8 (1023) 621 0,1 1,54 Inconel X-750 Ni Ionen 9,4 (1022) 549 0 1,71 P.E. 16 Ni Ionen 8 (1022) 524 0,2 2,29 A-286 Ni Ionen 8 (1022) 599 0 2,76 Si-mild-beruhigter Stahl Fe Ionen 1,1 (1023) 551 1,3 2,67 Cr-M-12 ferritischer Stahl Fe Ionen 1,2 (1023) 551 0 2,79 ST316SS Ni Ionen 1,5 (1023) 621 16,8 2,90 ST304SS Ni Ionen 1,6 (1023) 621 40,0 2,94 Heat-to-Heat Variation Test 20% CW316SS Ni Ionen 1,5 (1023) 621 15,0 2,88 (Heat "B-1") 20% CW316SS Ni Ionen 1,5 (1023) 621 5,0 2,82 (Heat "N") Die Abbildungen dienen ebenfalls zur Erläuterung der Erfindung; im einzelnen zeigen: Fig. 1 eine Darstellung der durch eine vorgegebene Ionen-Strahlenbelastung hervorgerufene Anschwellung verschiedener Legierungen gegen den Nv-Wert dieser Legierungen; Fig. 2 eine Darstellung der durch Neutronen-Strahlung hervorgerufenen Anschwellung gegen den N-Wert für verschiedene Legierungen, soweit diese Werte verfügbar waren; Fig. 3 in graphischer Darstellung die prozentuale Anschwellung gegen die äquivalente nvt-Strahlungsbelastung mit den jeweiligen Kurven für den rostfreien Stahl SAE316" und für eine erfindungsgemäße Legierung; und Fig. 4 in graphischer Darstellung sowohl die Anschwellung und die Korrosion in Natrium für Nickel-Chrom-Eisen-Legierungen mit unterschiedlichen Nickelgehalten.
  • Die Figuren 1 und 2 bringen im wesentlichen in graphischer Darstellung die Anschwellung der verschiedenen in Tabelle I aufgeführten Legierungen gegen den N Ñv-Wert der jeweiligen Legierung, wobei die Nv-Werte entlang der horizontalen Achse dargestellt sind. Aus dem Kurvenzug ist zu entnehmen, daß für Nv-Werte zwischen 1,6 und 2,8 die Anschwellung außerordentlich niedrig ist.
  • Besondere Beachtung verdienen in Fig. 1 die Werte für die Teile aus "rostfreiem Stahl 516", welche N Werte von 2,82, 2,88 und 2,90 aufweisen, alle innerhalb der üblichen Wärmeschwankungen liegen, und wenn sie entsprechender Ionenstrahlung ausgesetzt werden, bei einem N -Wert von 2,82 eine Anschwellung von 5/5, v bei einem Nv-Wert von 2,88 eine Anschwellung von 15% und bei einem Rv-Wert von 2,90 eine Anschwellung von 16,8% aufweisen.
  • Ein rostfreier Stahl vom Typ 304 mit einem %-Wert von 2,94 zeigt unter einer Bestrahlung mit einer äquivalenten Strahlendosis von 1,6 x 1023 nvt sogar eine Anschwellung von ungefhr 40%. In Fig. 2 sind die Versuchsergebnisse unter tatsächlicher Neutronenbestrahlung der Legierungen graphisch dargestellt; die Werte für die Anschwellung stimmen im wesentlichen mit den Werten der Fig. 1 überein.
  • In Fig. 3 ist graphisch die Anschwellung von "rostfreiem Stahl 316" gegen die äquivalente nvt-Strahlenbelastung aufgetragen; die entsprechende Kurve ist auch für eine spezifische, erfindungsgemäße Legierung aufgetragen, wobei die Versuche unter analogen Bedingungen durchgeführt worden sind. Hier ist beachtlich, daß die Anschwellung der erfindungsgemäßen Legierung für die gleiche kumulative Strahlenbelastung angenähert eine ganze Größenordnung kleiner ist als die bei dem "rostfreiem Stahl 31611 beobachtete Anschwellung. Bei dieser beispielhaften erfindungsgenäßen Legierung betrug bei einer Dosis der Strahlenbelastung von 24 dpa (äquivalente Dosis von 3 x 1023 nvt) lediglich 1,6 + 1%. Nach dieser Bestrahlung an den bestrahlten Stücken durchgeführte Untersuchungen haben gezeigt, daß die mittlere Größe der Leerstellen 185 R und die Leerstellen-Dichte 5,9 x 1015 pro cm3 beträgt. Für eine Strahlenbelastung von 15 dpa läßt sich eine Anschwellung von etwa 0,5 abschätzen.
  • In Fig. 4 ist sowohl die Abhängigkeit der Anschwellung bei gegebener Strahlungsbelastung vom Nickelgehalt verschiedener Nickel-Chrom-Eisen-Legierungen dargestellt wie die Korrosion dieser Legierungen in geschmolzenem Natrium bei 720°C. Infolge des unterschiedlichen Gehalts der Legierungen an Chrom, Molybdän und anderen Bestandteilen können die Anschwellung und die Korrosionseigenschaften lediglich als relativ breites Band dargestellt werden; die Punkte mit den niedrigsten Werten für beide Kurven zeigen jedoch, daß diese bei Nickelgehalten zwischen 25 und 35% liegen. Bei einer sorgfältigen Untersuchung und einer detaillierten Analyse der Auswirkungen des Nickelgehalts auf die Anschwellung und das Löseverhalten in flüssigem Natrium wurde gefunden, daß Nickellegierungen mit 25 bis 35% Nickel die optimale Vereinigung von Eigenschaften für die Anwendung in Reaktoren aufweisen, wozu neben geringer Anschwellung und guter Korrosionsbeständigkeit gegenüber flüssigem Natrium zusätzlich solche Eigenschaften wie Festigkeit, hohe Standfestigkeit, Kriechfestigkeit und andere Eigenschaften gehören. Die Löslichkeit in geschmolzenem Aluminium liegt nicht über 0,025 mm pro Jahr und die Anschwellung liegt bei einer Strahlenbelastung von 1 x 1023 nvt unter 5%; diese Eigenschaften zeigen am besten die Eignung der erfindungsgemäBen Legierungen und daraus hergestellter Werkstücke für die Verwendung in LtEFBR-Reaktoren.
  • Die Festigkeitseigenschaften der erfindungsgemäßen Legierungen, insbesondere deren Dauerfestigkeit, Bruchfestigkeit und Streckgrenze bei höheren Temperaturen sind wenigstens genauso gut wie die entsprechenden Eigenschaften von "rostrreiem Stahl 316", im allgemeinen jedoch noch besser.
  • Die erfindungsgemäßen Legierungen können kalt zu Blechen oder Platten gewalzt oder gezogen werden und/oder durch Walzen in die Form von Röhren für die Umhüllung von Brennelementen gebracht werden. Solche Umhüllungen können eine Wandstärke zwischen etwa 0>3B1 und 0,762 mm aufweisen, so daß Pellets aus Brennstoffen, ispielsweise aus Uranoxiden und/oder Thoriumoxiden darin aufbewahrt werden können, und nachdem die Enden mit Kapseln versdlossen und verschweiSt worden sind, kann inertes Gas eingeführt und ein Gasdruck von vielen Atmosphären aufrecht erhalten werden. Die Brennelemente können anschließend auf Tragegittern angeordnet werden, um die in Kernreaktoren übliche Anordnung von Brennelementen zu bilden. Die Gitter für diese Anordnung der Brennstäbe können aus Teilen oder Werkstücken aus erfindungsgemäßen Legierungen hergestellt werden. Eine oder mehrere dieser Brennelemente-Anordnungen werden üblicherweise innerhalb eines Rohres angeordnet, wobei das Blech dieses Metall rohres aus der erfindungsgemäßen Legierung bestehen kann und die geszmte Brennelementeanordnung einhüllt. Während des Betriebs strömt das flüssige Natrium zwangsweise durch die Rohre und wird hierbei auch rundherum und zwischen den Brennelementen hindurchgerührt, wodurch durch das Gitter ein entsprechender Abstand der Elemente in der Anordnung aufrecht erhalten wird, so daß die in den Kernbrennstoffen gebildete Wärme durch das flüssige Natrium in entsprechender Form abgeführt werden kann und die Brennelemente vor übermäßig hohen Temperaturen infolge von örtlichen Überhitzungen geschützt werden. Das Natrium reagiert mit und korrodiert die Umhüllung, Gitteranordnung und Rohre aus den erfindungsgemäßen Legierungen nur außerordentlich langsam, wobei der Angriff auf die Oberfläche bei Temperaturen bis zu 720°C weniger als ungefähr 0,025 bis 0,051 mm pro Jahr beträgt. Demzufolge ist nach Ablauf von drei Jahren die Oberfläche bis zu einer Tiefe von angenähert 0,076 mm, in einigen Fällen auch weniger korrodiert, wobei angenähert 80 bis 90% der ursprünglichen Legierung, aus welcher die Brennstoffumhüllung besteht, zurückbleiben. Die Anschwellung liegt unter 5% und liegt in dieser Zeitspanne gewöhnlich in der Größenordnung von 2 oder weniger.
  • Als Folge dieser geringen Anschwellung sind Verbiegungen, Verkrümmungen oder Verziehungen der Brennelemente, der Gitter und Rohrleitungen außerordentlich gering, so daß die Zwischenräume und Durchlässe für den Durchfluß des Natriums nicht unangemessen eingeengt oder beschränkt werden. Ein sicherer und zufriedenstellender Betrieb von LMFBR-Reaktoren wird daher wesentlich leichter zu erreichen sein, wenn anstelle anderer, bislang verfügbarer Legierungen für Reaktorteile solche Teile aus den erfindungsgemäßen Legierungen hergestellt und verwendet werden.

Claims (1)

  1. Paten tansprüche
    Eine Legierung mit guten physikalischen Eigen-0 schaften bei hohen Temperaturen bis zu 720 C, welche von geschmolzenem Natrium nur geringfügig korrosiv angegriffen wird und unter Strahlenbelastung nur geringfügig anschwillt, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Legierung im wesentlichen aus 14 bis 19% Chrom, 25 bis 35% Nickel, 2 bis 3% Molybdän, 0,1 bis 1% Silicium, bis zu 0,5% Mangan, 0,03 bis 0,05 Kohlenstoff, bis zu 0,01% Schwefel, bis zu 0,01 Phosphor, bis zu 0,01% Bor, bis zu 0,01% Sauerstoff, bis zu 0,02% Stickstoff, gegebenenfalls geringen Anteilen an zufälligen Verunreineigungen, Rest Eisen besteht und einen N Nv-Wert von 1,6 bis 2,8 aufweist.
    2. Legierung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß der Chromgehalt 15 bis 18% und der Mangangehalt 0,25 bis 0,5% beträgt.
    5. Legierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Legierung unter solchen Bedingungen bearbeitet und wärmebehandelt worden ist, daß sie bei den in einem Kernreaktor auftretenden Temperaturen hohe Streckgrenze, hohe Dauerfestigkeit und gute Bruchfestigkeit aufweist.
    4. Legierung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der durch Korrosion in Berührung mit Natrium unter den in einem Kernreaktor auftretenden Bedingungen verursachte Abtrag nicht größer als 0,025 bis 0,051 mm pro Jahr ist.
    5. Legierung nach den Ansprüchenl bis 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Legierung nach einer Strahlenbelastung von 3 x 1023 nvt eine Anschwellung aufweist, welche nicht über 5% hinausgeht.
    6. Legierung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Nickelgehalt 25 bis 30, der Siliciumgehalt 0,2 bis 5%, der Kohlenstoffgehalt 0,04%, der Schwefelgehalt weniger als 0,005, der Phosphorgehalt weniger als 0,005%, der Borgehalt bis zu 0,003%, der Sauerstofrgehalt bis zu 0,01% und der Stickstoffgehalt weniger als 0,002 betragen.
    7. Verwendung der Legierung nach den Ansprüchen 1 bis 6 zur Herstellung von Teilen, Formteilen und Werkstücken für Kernreaktoven, insbesondere für schnelle Brutreaktoren, welche mit flüssige Natrium gekühlt werden, und wobei die Teile, Formkörper und Werkstücke mit geschmolzenem Natrium bei Temperaturen bis zu 72000 in Berührung kommen und einer hohen Strahlungsbelastung durch Neutronenstrahlung ausgesetzt werden.
    8. Teile, Formkörper und Werkstücke für die Verwendung in Kernreaktoren, welche mit Natrium gekühlt werden, wobei die Teile, Formkörper und Werkstücke mit geschmolzenem Natrium bei Temperaturen bis zu 7200C in Berührung kommen und einer hohen Strahlenbelastung durch Neutronenstrahlung ausgesetzt werden, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Teile, Formkörper und Werkstücke aus Nickel-Chrom-Eisen-Legierungen nach den Ansprüchen 1 bis 6 bestehen.
    L e e r s e i t e
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP0155011A2 (de) * 1984-03-16 1985-09-18 Inco Alloys International, Inc. Hochfeste Legierung für Behälter für industrielle Anwendung
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