DE2600894C3

DE2600894C3 - Bauteile für den Helium-Kühlkreislauf eines Hochtemperatur-Kernreaktors

Info

Publication number: DE2600894C3
Application number: DE2600894A
Authority: DE
Inventors: Kim Shee Dr. Zuerich Yee (Schweiz)
Original assignee: Gebrueder Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1975-02-26
Filing date: 1976-01-12
Publication date: 1978-04-13
Also published as: DE2600894B2; DE2600894A1; CH611448A5

Description

Die Erfindung betrifft gegen Hochtemperatur-Aufkohlung geschützte, aus einer Karbidbildner enthaltenden Nickel-Basis-Legierung bestehende Bauteile für den Helium-Kühlkreislauf eines Hochtemperatur-Kernreaktors.

Das im primären Kühlkreislauf von Hochtemperatur-Kernreaktoren zirkulierende Helium enthält im allgemeinen geringe Mengen von Verunreinigungen, beispielsweise Wasser und/oder Wasserstoff, die zunächst mit dem Graphit des Reaktorkernes zu Kohlenmonoxid und Methan reagieren; daneben können als weitere Verunreinigungen Spuren von Stickstoff vorhanden sein.

Die für die Bauteile dieses primären Kreislaufs üblicherweise verwendeten Nickel-Basis-Legierungen enthalten — siehe z. B. »Proceeding of the 3th United Nations International Conference on the Peacefal Uses of Atomic Energy, 1965, VoI 8. P/226, S. 61, Tabelle 1.10 — als Legierungszusätze Titan und Chrom, die beide, vor allem bei den in diesen Kreisläufen herrschenden hohen Temperaturen von etwa 1000⁰C mit dem Kohlenstoff der genannten kohlenstoffhaltigen Verunreinigungen reagieren und durch Aufkohlung und Karbidbildung zu einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften der Nickel-Basis-Legierung führen.

Der Erfindung Hegt die Aufgabe zugrunde, durch eine auf den Bauteilen fest haftende Schutzschicht diese Aufkohlung des Basismaterials zu verhindern. Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß die aus der Nickel-Basis-Legierung bestehenden Bauteile auf mindestens Teilen ihrer Oberflächen mit einer porenfreien Schutzschicht aus einem der Elemente Wolfram und Molybdän versehen sind, die über eine Zwischenschicht aus Reinnickel (Reinheit >99%) auf der Bais-Legierung verankert ist

Auf diese Weise erfolgt eine Bindung des Kohlen' Stoffs in der Schutzschicht als Wolfram- bzw. Molybdän-Karbid (W₂C bzw. Mo₂C), die eine sehr stabile Schutzschicht gegen eine weitere Aufkohlung bilden. Die Zwischenschicht aus Reinnickel hat dabei eine zweifache Aufgabe; zum einen verbessert sie die Haftung der Schutzschicht auf der Basislegierung und zum anderen verhindert sie deren Aufkohlung durch Reaktion des in dieser enthaltenen Kohlenstoffs mit der Schutzschicht.

Zusätzlich hat die Ausbildung der Bauteile gemäß der

Erfindung den weiteren erheblichen Vorteil, daß gleichzeitig ein Schutz gegen einen Owdationsangriff auf das Grundmaterial' erreicht wird, während eine Oxidation der Schutzschicht selbst bei den maximal vorhandenen Temperaturen nicht zu befürchten ist

Die Diffusionsglühbehandlung, die sowohl im Vakuum — von etwa 10-« mm Hg — als auch in einer Inertgas-Atmosphäre, beispielsweise aus Argon oder Helium, durchgeführt werden kann, dient in bekannter

ίο Weise der mechanischen Verfestigung der Schutzschicht auf der Zwischenschicht bzw. von dieser auf dem Substrat

Für die Dicke der beiden Schichten haben sich als vorteilhaft erwiesen: für die Schutzschicht 0,05 bis

is 0,20 mm und für die Zwischenschicht 0,01 bis 0,05 mm. Weiterhin ergeben sich zusätzliche Vorteile, wenn die Reinnickel-Zwischenschicht durch ein galvanisches Verfahren, z.B. durch Elektroplatieren, aufgebracht worden ist, da diese Nickelschichten frei vonf" fiosphor- oder Bor-Verunreinigungen sind, die zu unerwünschten Reaktionen mit dem Nickel bzw. den Schutzschichtelementen führen können.

Die Aufheizung für die Wärmebehandlung erfolgt dabei auf eine Temperatur zwischen 800 und 1200⁰C; die Haltezeiten betragen zwischen etwa 12 Stunden für 800⁰C und etwa 2 Stunden für 1200⁰C; die abschließende Abkühlung wird langsam im Behandlungsofen ebenfalls im Vakuum oder in einer Inertgas-Atmosphäre durchgeführt

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels im folgenden näher erläutert:

In dem nachfolgenden Beispiel dient als Grundlage die bekannte Nickel-Basis-Legierung IN 713 LC; auf diese soll eine Wolfram-Schicht aufgebracht werden.

Als Beschichtungsverfahren wird die bekannte chemische Gasphasen-Abscheidung (CVD-Verfahren) angewendet, da mit diesem Verfahren ohne Schwierigkeiten dichte und zumindest weitgehend porenfreie Beschichtungen erreicht werden können. Als Ausgangssubstanz für das CVD-Verfahren dient Wolframhexafluorid (WF₆). Vor seiner Beschichtung mit Wolfram wird der zu beschichtende Bauteil zunächst gereinigt und entfettet und als Kathode in ein Nickelsalzbad — eine Mischung Von NiSO₄, NiCL₂, H₃BO₃ und Netzmittel gebracht Auf Grund des durch das Bad fließenden Stromes, dessen Stromdichte gewöhnlich im Bereich zwischen 0,4-4,0 A/dm² liegt, wird Nickel galvanisch auf dem Teil so lange abgeschieden, bis eine Reinnickelschicht von etwa 0,02 mm darauf niedergeschlagen ist Die Reinheit dieser Nickelschicht beträgt mindestens 99%, wobei als Verunreinigungen vor allem Schwefel vorhanden ist

Die bei dem Ausführungsbeispiel benutzte Stromdichte beträgt 1,0 A/dm²; bei dieser Stromdichte ist die

Abscheiderate etwa 0,2 μπι/min.

Das auf die geschilderte Weise mit der Nickelschutzschicht versehene Substrat wird nunmehr in eine CVD-Anläge bekannter Bauart gebracht und auf etwa 650⁰C aufgeheizt, wobei die Aufheizung mit Argon von

Atmosphärendruck bei einem Ar-Strom von 0,5 l/min erfolgt

Das bei Umgebungstemperatur bereits gasförmige WFe wird anschließend in einem Mengenstrom von 105 ml/min in die Anlage eingespeist, mit einem Wasserstoff-Strom von 450 ml/min als Trägergas vermischt, in den Reaktionsraum geführt und auf die Oberfläche des Bauteils gefördert, auf der es sich zersetzt, wobei das Wolfram auf der Oberfläche

abgeschieden wird, wahrend der Fluoranteil gasförmig au» dem Reaktionsraum weggefahrt wird.

Der Abseheidungsprozeß wird etwa 30 min fortgesetzt, wobei in dem Reaktionsraum Gesamtdruck von etwa 150 mm Hg gehalten wird, Bei den geschilderten Bedingungen ergibt die etwa 30minütige Behandlung eine abgeschiedene Wolframschicht von etwa 0,06 mm.

Nach Abschluß des Abscheidungsprozesses läßt man den Bauteil im Vakuum von etwa 10-* mm Hg im Reaktionsraum langsam auf Raumtemperatur abkühlen.

Im vorliegenden Fall erfolgt die anschließende Diffusionsbehandlung ebenfalls im Vakuum von 10—· mm Hg. Innerhalb von einer Stunde wird dabei — ausgehend von Raumtemperatur — 650⁰C erreicht, während die weitere Temperaturerhöhung auf die Endtemperatur von 950" C, die etwa dem im Reaktorkreislauf herrschenden Temperaturniveau entspricht, 31/? Stunden erfordert. Die genannte Endtemperatur

s wird etwa 2 Stunden gehalten, während anschließend innerhalb von etwa 9 Stunden die endgültige Abköhlung auf Raumtemperatur im Ofen selbst erfolgt.

Das Aufbringen einer Schutzschicht wird auf die gleiche Weise mit im wesentlichen den gleichen

jo Betriebsdaten durchgeführt, wobei lediglich WFe d^!,:rch das entsprechende Molybdän-Fluorid MoF₆ ersetzt ist, dessen Verdampfung etwas höhere Temperaturen erfordert

Claims

Patentansprüche;

1, Gegen Hochtemperatur-Aufkoblung geschützte, aus einer Karbidbildner enthaltenden Nickel-Basis-Legierung bestehende Bauteile for den Helium-Kühlkreislauf eines Hochtemperatur-Kernreaktors, dadurch gekennzeichnet, daß die aus der Nickel-Basis-Legierung bestehenden Bauteile auf mindestens Teilen ihrer Oberflächen mit einer porenfreien Schutzschicht aus einem der Elemente Wolfram und Molybdän versehen sind, die über eine Zwischenschicht aus Reinnickel (Reinheit >99%) auf der Basis-Legierung verankert ist
2. Bauteile nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Schutzschicht 0,05 bis 0,2 mm und diejenige der Zwischenschicht 0,01 bis 0,05 mm betragen.