DE2607146A1

DE2607146A1 - Strukturkomponente aus einer zirkonlegierung und verfahren zur waermebehandlung

Info

Publication number: DE2607146A1
Application number: DE19762607146
Authority: DE
Inventors: Timothy James Black; Richard Alan Proebstle; Jose Calif San; Andrew Willard Urguhart; James Lutrelle Walker; Cedric David Williams
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1975-02-25
Filing date: 1976-02-21
Publication date: 1976-09-02
Also published as: SE7602275L; JPS51110412A; AU8675375A; FR2302569A1; IT1055029B; ES445500A1; FR2302569B1; JPS6044387B2; SE451467B; DE2607146C2

Description

Strukturkomponente aus einer Zirkonlegierung und Verfahren zur Wärmebehandlung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Konstruktionsmaterialien für Kernreaktoren und sie betrifft mehr im besonderen ein neues Verfahren zur Verbesserung der Widerstandsfähigkeit von Legierungen auf Zirkonbasis gegenüber korrosivem Angriff unter den Betriebsbedingungen eines Siedewasserreaktors sowie die nach diesem Verfahren hergestellten einzigartigen Strukturkomponenten.

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Wesentliche Anforderungen an Materialien, die zur Konstruktion von Siedewasser-Kernreaktoren verwendet werden, schließen geringe Absorption für thermische Neutronen, Korrosions- und Belastungskorrosions-Beständigkeit und mechanische Festigkeit ein. Legierungen auf Zirkonbasis befriedigen diese Anforderungen in genügendem Maße, so daß sie für diese Zwecke weite Anwendung finden. Von diesen Legierungen sind "Zircaloy-2" (die etwa 1,5 % Zinn, 0,15 % Eisen, 0,1 % Chrom, 0,05 % Nickel und 0,1 % Sauerstoff enthält) und "Zircaloy-4" (die im wesentlichen kein Nickel und etwa 0,2 % Eisen enthält, im übrigen aber ähnlich Zircaloy-2 zusammengesetzt ist) zwei der bedeutenden kommerziellen Legierungen, die üblicherweise für solche Zwecke angewendet werden. Diese Legierungen erfüllen jedoch auch nicht entfernt alle an solche Materialien zu stellenden Wünsche, insbesondere nicht hinsichtlich der beschleunigten Pustel-Korrosion, die unter den normalen Betriebsbedingungen eines Siedewasserreaktors auftritt und zur Abspaltung dicker Oxidschichten von Kanälen und zum Verdicken von Oxiden auf Brennstoffstäben führt. Das Abspalten von Oxidflocken führt in einigen Fällen zur Entwicklung hoher Strahlungsfelder in der Nähe der Steuerstab-Mechanismen, wo sich die Flocken ansammeln, und die Anwesenheit der dicken Oxidschichten verringert die Hitzeübertragungswirksamkeit und kann zum lokalen Überhitzen der Brennstoffumhüllung führen.

Die bisher unternommenen Anstrengungen zur Lösung dieses besonderen Problems waren nicht erfolgreich, obwohl das allgemeine Gebiet der Korrosion solcher Legierungen seit langem aktiv bearbeitet wurde. So ist in der US-PS 3 005 706 vorgeschlagen, von 0,03 bis 1,0 % Beryllium zu Zirkonlegierungen hinzuzugeben, die in üblichen Boilern, Siedewasserreaktoren und ähnlichen Apparaturen eingesetzt werden sollen, um die Korrosionsbeständigkeit gegenüber heißem Wasser zu verstärken. In ähnlicher Weise wurden in den US-PS 3 261 682 und 3 150 972 Cer und/oder Yttrium und Kalzium in gleichen Mengenanteilen als Zusätze zu Zirkonlegierungen für den gleichen Zweck vorgeschlagen. Beschreibungen und Berichte der Langzeit-Ergebnisse solcher Zusammensetzungsänderungen sind jedoch spärlich,und die kommerziellen Zirkonlegierungen enthalten diese zusätzlichen Bestandteile nicht.

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Die vorliegende Erfindung schafft eine Lösung des durch die beschleunigte Pustel-Korrosion verursachten Problems in Form eines WärmebehandlungsVerfahrens , das die korrosionsbegrenzte Lebensdauer der Strukturkomponenten für Siedewasserreaktoren auf der Basis von Zirkonlegierungen mindestens etwa verdoppelt. Darüber hinaus kann dieses Ergebnis beständig, rasch und mit relativ geringen zusätzlichen Kosten erreicht werden, und zwar insbesondere durch den Einsatz des neuen Zonenwärmebehandlungsverfahrens und der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, wie sie in der am gleichen Tage eingereichten deutschen Patentanmeldung beschrieben sind, für die die Priorität der US-Patentanmeldung Serial Nr. 552,795 vom 25. Februar 1975 beansprucht ist.

Es wurde in der vorliegenden Erfindung festgestellt, daß es bei derartigen Legierungen eine starke Beziehung zwischen einer besonderen Mikrostruktur und der Beständigkeit gegenüber der beschleunigten Pustel-Korrosion in Siedewasserreaktoren gibt. Diese Feststellung wurzelt in der bisher unerkannten Bedeutung der Mikrostrukturunterschiede zwischen der wärmebeeinflußten Zone einer Schweißstelle und dem Rest des Gegenstandes aus einer Legierung auf Zirkonbasis für die Korrosion in Siedewasserreaktoren. Wegen des beim Schweißen erfolgenden Erhitzens findet eine Wiederverteilung der intermetallischen teilchenförmigen Phase C^r(Cr, Fe)₂ in Zircaloy-4 und Zr(Ni₁Fe)₂, Zr₂(Ni₃Fe) in Zircaloy-2] in einem Muster statt, welche dem Metall die gewünschte Korrosionsbeständigkeit verleiht. Die intermetallischen Teilchen sind anstelle der üblichen allgemein gleichförmigen Verteilung und isoliert und separiert voneinander in einem merklichen Ausmaß in zweidimensionalen Reihen ausgeschieden.

In der vorliegenden Erfindung wird diese Feststellung dazu benutzt, die Gebrauchsdauer eines Gegenstandes aus einer Legierung auf Zirkonbasis stark zu verlängern, indem man ihn in einer Zwischen- oder im wesentlichen fertigen Form als einen Siedewasserreaktor-Kanal oder als ein Rohr für eine Kernbrennstoffumhüllung oder als einen Brennstoffstab-Abstandshalter zur Verwendung in einem Reaktorkanal herstellt und diesen Gegenstand dann erhitzt,

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ura die Umwandlung von der «C-Phase (hexagonal dichte Packung) in die ß-Phase (kubisch raumzentriert) einzuleiten und ihn schließlich bis zu einer Temperatur beträchtlich unterhalb des Phasenumwandlungs-Temperaturbereiches abschreckt. Die Ausscheidung der Niederschlagsteilchen wird im gewünschten Ausmaße durch Abschrekken bis auf 700 ⁰C nach nur wenigen Sekunden im Umwandlungs-Temperaturbereich erhalten.

Üas vorgenannte Konzept steht in scharfem Gegensatz zu den Lehren des Standes der Technik, die wegen nachteiliger Wirkungen auf die Korrosionseigenschaften vor einer Wärmebehandlung solcher Legierungen in einem Temperaturbereich, in dem die oC-Phase nur teilweise in die ß-Phase umgewandelt wird, warnen. In der vorliegenden Erfindung wurde jedoch festgestellt, daß durch rasches Abkühlen nicht nur diese nachteilige Wirkung vermieden werden kann, sondern daß im Gegenteil die Korrosionseigenschaften in Siedewasserreaktoren beträchtlich verbessert werden. Darüber hinaus werden die physischen Eigenschaften im allgemeinen und die Kriechfestigkeit und die Duktilität im besonderen durch die Wärmebehandlung nach der vorliegenden Erfindung nicht merklich nachteilig beeinflußt.

Bei der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es wichtig, nach dem vorgenannten Erhitzen und Abschrecken Verfahrensschritte wie Heiß- und Kaltwalzen und Anlassen zu vermeiden, die zu einer Beseitigung der zweidimensionalen Reihen der Niederschlagsteilchen im Legierungskörper führen. Die Rehomogenisierung solcher Teilchen in irgendeiner Weise kann zum Verlust der erwünschten Korrosionsbeständigkeit führen.

Dieses neue Konzept unterscheidet sich wesentlich von dem Stand der Technik, nach dem Zircaloy-Kanäle und -Rohre zur Verwendung in Siedewasserreaktoren zu einem frühen Stadium ihrer Herstellung einer Wärmebehandlung im ß-Phasen-Temperaturbereich unterworfen werden, um irgendwelche unerwünschten dendritischen oder andere Ausscheidungsphasen zu beseitigen. Obwohl einer solchen Wärmebehandlung ein Abschrecken folgen konnte, wurden irgendwelche nützlichen Wirkungen in Richtung auf die vorliegende Erfindung rasch

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verloren bei dem nachfolgenden Heiß- und Kaltbearbeiten und Anlassen, die ein notwendiger Teil der Herstellung waren und verschieden sind vom Ausrichten, Sandstrahlen, Beizen und Spannungsfreiglühen, was zum Unterschied von den Herstellungsschritten zum Nachbearbeiten gehört und die vorgenannten nützlichen Wirkungen nicht beseitigt oder vermindert.

Hinsichtlich ihres Verfahrens umfaßt die vorliegende Erfindung die Stufen des Erhitzens eines Gegenstandes aus Zirkonlegierung bis zu einer Temperatur, bei der sich die «C-Phase zumindest teilweise in die ß-Phase umwandelt, Halten des Gegenstandes bei dieser Temperatur, bis die Phasenumwandlung eingeleitet ist, dann Abkühlen des Gegenstandes, um die während des Erhitzens gelöste intermetallische Phase in Form von Teilchen auszufällen, von denen sich einige entlang den oC-Korngrenzen aufreihen. Dieses Abkühlen schließt vorzugsweise das Abschrecken des Gegenstandes mit einer Geschwindigkeit von mindestens etwa 20 °C/sec bis zu einer Temperatur unterhalb von 700 ⁰C ein. Obwohl der Gegenstand bis zu einer Temperatur erhitzt werden kann, bei der entweder teilweise oder vollständige Umwandlung in die ß-Phase erfolgt, ist das erstere im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugt, und die Aufenthalts zeit bei dieser Temperatur kann so kurz sein wie zwei oder drei Sekunden, doch liegt sie vorteilhafterweise in der Größenordnung von etwa 3 bis 30 Sekunden. Während die Umwandlung der oC-Phase in die ß-Phase bei etwa 825 °C beginnt, ist eine etwas höhere Temperatur, wie etwa 87O ⁰C, aus einer Reihe von Gründen sowohl hinsichtlich der Verfahrenssteuerung als auch Geschwindigkeit erwünscht. Die Abkühlgeschwindigkeit wird vorzugsweise größer sein als der obengenannte Minimalwert, wie etwa 200 °C/sec. Abkühlgeschwindigkeiten, die so großjsind, daß sie die Abscheidung der intermetallischen Phase verhindern, sollten vermieden werden. Obwohl angenommen wird, daß Abkühlgeschwindigkeiten, die beträchtlich größer sind als ¹IOO °C/sec, eine solche Wirkung haben können, umfaßt die vorliegende Erfindung Abkühlgeschwindigkeiten bis zu 8OO °C/sec und mehr unter der Voraussetzung, daß keine beträchtliche Unterdrückung der Ausfällung der intermetallischen Phase resultiert.

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Hinsichtlich des Produkt- oder Gegenstand-Aspektes besteht die Strukturkomponente nach der vorliegenden Erfindung aus einer Legierung auf Zirkonbasis, und sie hat aufgrund ihrer Beständigkeit gegenüber beschleunigter Pustel-Korrosion eine besondere Brauchbarkeit in einem Siedewasserreaktor. Wie oben erwähnt, enthält die Legierung Zinn, Eisen, Chrom und kann zusätzlich Nickel enthalten, und sie schließt die intermetallische Verbindung Zr(Cr, Pe)₂ aus Zirkonium, Eisen und Chrom ein, und sie kann auch Zr_p(Ni,Pe) in Form eines teilchenförmigen Niederschlages enthalten. Die MikroStruktur des Gegenstandes ist charakterisiert durch die Ausscheidung eines beträchtlichen Anteiles der abgeschiedenen Teilchen in zweidimensionalen Reihen, die in dem Gegenstand verteilt sind. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind diese Reihen entlang den «C-Phasen-Korngrenzen und Subkorngrenzen angeordnet, und 25 bis 50 % der Gesamtausscheidungsphase sind auf diese Weise gruppiert. Es scheint jedoch, daß die neuen Ergebnisse und Vorteile der vorliegenden Erfindung reproduzierbar erhalten werden können, wenn nur ein Prozent der Ausscheidungsphase an Korngrenzen derart in Reihen angeordnet ist.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Figur 1 einen teilweise weggeschnittenen Querschnitt einer Kernreaktor-Brennstoffbaueinheit mit Strukturkomponenten nach der vorliegenden Erfindung in bevorzugter Ausführungsform,

Figur 2 eine fotografische Aufnahme in 500-facher Vergrößerung von einer üblichen Legierung auf Zirkonbasis, welche die Verteilung der teilchenförmigen intermetallischen Phase zeigt,

Figur 3 eine fotografische Aufnahme mit gleicher Vergrößerung von der Legierung nach Figur 2 nach der Wärmebehandlung gemäß der vorliegenden Erfindung und

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Figur 4 eine fotografische Aufnahme von der gleichen Legierung wie in Figur 2 und Figur 3 nach einer anderen Wärmebehandlung gemäß der vorliegenden Erfindung.

Eine Hauptanwendung der vorliegenden Erfindung liegt in der Herstellung von Kernbrennstoff-Baueinheiten, wie sie in Figur 1 dargestellt sind. Die Baueinheit 10 ist typisch für eine Siedewasser-Brennstoffbaueinheit und besteht aus einem rohrförmigen Strömungskanal 11 im allgemeinen quadratischen Querschnitts, der an seinem oberen Ende mit einem Hebebügel 12 versehen ist und an seinem unteren Ende mit einem in der Zeichnung nicht gezeigten Nasenstück. Das obere Ende des Kanales 11 ist bei 13 offen, und das untere Ende des Nasenstückes ist mit Öffnungen für die Kühlmittelströmung versehen. Eine Anordnung oder Reihe von Brennstoffelementen oder Stäben 14 ist in dem Kanal 11 eingeschlossen und wird darin durch die obere Endplatte 15 und eine untere, in der Zeichnung nicht dargestellte Endplatte getragen, wobei die Stäbe 14 im Abstand voneinander durch nicht-dargestellte Abstandsgitter gehalten sind, durch welche sich die Stäbe erstrekken und die in Abständen über die Länge der Baueinheit verteilt und an den Stäben 14 befestigt sind. Die Kühlflüssigkeit tritt üblicherweise durch die Öffnungen im unteren Ende des Nasenstückes ein und verläuft nach oben um die Brennstoffelemente 14 herum und verläßt bei Siedewasserreaktoren die Baueinheit durch den oberen Auslaß 13 in teilweise dampfförmigem Zustand und bei Druckreaktoren in unverdampftem Zustand bei erhöhter Temperatur.

Die Kernbrennstoffelemente oder -stäbe 14 sind an ihren Enden mittels Endstopfen 18 verschlossen, die mit der Umhüllung 17 verschweißt sind, und diese Endstopfen können Bolzen 19 einschließen, um das Montieren des Brennstoffstabes in der Baueinheit zu erleichtern. Ein leerer Raum oder Plenum 20 ist an einem Endstück des Elementes vorgesehen, um eine longitudinale Ausdehnung des Brennstoffmaterials und die Ansammlung der aus dem Brennstoffmaterial freigesetzten Gase zu gestatten. Eine Rückhalte-Einrichtung 24 für das Kernbrennstoffmaterial in Form eines spiralförmigen Teiles ist innerhalb dieses Raumes 20 angeordnet, um die

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axiale Bewegung der Pelletkolonne insbesondere während der Handhabung und des Transportes des Brennstoffelementes zu beschränken.

Das Brennstoffelement ist so ausgeführt, daß ein ausgezeichneter thermischer Kontakt zwischen dem Gehäuse und dem Brennstoffmaterial vorhanden ist, ein Minimum parasitärer Neutronenabsorption stattfindet und Beständigkeit gegenüber Verbiegen und Vibration besteht, die gelegentlich durch die Strömung des Kühlmittels bei hoher Geschwindigkeit verursacht werden.

Der Kanal 11 und das Brennstoffelement oder die Umhüllung 14 werden gemäß der vorliegenden Erfindung nach einem Verfahren hergestellt, bei dem zu den üblichen Stufen zur Herstellung des Kanales und des Rohres eine abschließende Wärmebehandlung hinzukommt, die bei einer Temperatur durchgeführt wird, bei der sich die öC-Phase zumindest teilweise in die ß-Phase umwandelt, gefolgt von einer Abschreckung durch Besprühen mit Wasser. Die Geschwindigkeit, mit der das Werkstück in den Phasenumwandlungs-Temperaturbereich erhitzt wird, und die in diesem Bereich benutzte Temperatur können gewählt werden, doch sind sowohl die Minimalzeit in dem Bereich und die minimale Abkühlgeschwindigkeit von der 825°C-Schwelle des Bereiches in hohem Maße kritisch. Die neuen Vorteile und Ergebnisse der vorliegenden Erfindung können daher beständig nur dann erhalten werden, wenn die teilchenförmige Ausscheidungsphase wie beschrieben verändert wird, und es wurde in der vorliegenden Erfindung festgestellt, daß eine solche Änderung nur dann in dem erforderlichen Maße bewerkstelligt werden kann, um einen Paktor von etwa 2 oder mehr bei der Verbesserung der korrosionsbegrenzten Lebensdauer von Kanälen und Umhüllungen zu erhalten, wenn die Zeit bei der Temperatur oberhalb der Umwandlungstemperatur mindestens drei Sekunden beträgt und die Abkühlungsgeschwindigkeit auf etwa 700 ⁰C mindestens etwa 20 °C/sec ausmacht. Sei es, daß die Vorrichtung nach der oben genannten deutschen Patentanmeldung vom gleichen Tage zum Zonenwärmebehandeln zur Ausführung in kommerziellem Rahmen angewendet wird oder eine andere V/ärmeb ehandlungs technik benutzt wird, eine

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längere Zeit, ζ. B. 20 bis 30 Sekunden, und höhere Temperaturen, z. B. 850 bis 950 ⁰C, sind bei der Ausführung der vorliegenden Erfindung bevorzugt. Außerdem ist eine größere Abkühlgeschwindigkeit :
zugt.

z. B. 850 bis 950 ⁰C, sind bei der Ausführung der vorliegenden

5ß keit in der Größenordnung von 200 bis 300 ⁰C pro Sekunde bevor-

Zeit- und Temperatur-Maxima sind weder im o</ß- noch im ß-Bereich kritisch. Die Wärmebehandlung bei Temperaturen, die zur vollständigen Umwandlung der o£-Phase in die ß-Phase führen (oberhalb von etwa 965 ⁰C), ist daher ebenfalls umfaßt, obwohl nicht bevorzugt, da kein besonderer Vorteil damit verbunden ist, das Werkstück auf eine Temperatur oberhalb des Vorhandenseins der beiden Phasen (ungefähr 825 - 965 ⁰C) zu erhitzen, und andererseits dafür beträchtlich mehr Energie erforderlich ist. Aus dem gleichen Grunde kann die obere Temperaturgrenze für das erfindungsgemäße Verfahren aus praktischen Gründen bei 1100 ⁰C festgelegt werden, obwohl theoretisch Temperaturen bis zum Schmelzpunkt von etwa i860 ⁰C benutzt werden können.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Beispielen der Herstellung von Kanälen und BrennstoffUmhüllungen zur Verwendung in Siedewasser-Kernreaktoren beschrieben.

Beispiel I

Unter Verwendung der in der obengenannten deutschen Patentanmeldung vom gleichen Tage beschriebenen Apparatur wurde ein Kanal für einen Siedewasserreaktor mit einer Länge von etwa 4,3 m (entsprechend I¹I US-Puß) mit einem allgemein quadratischen Querschnitt (von etwa 213 cm ) (entsprechend der Seitenlänge von 5 3/4 Zoll) und abgerundeten Kanten sowie einer Wandstärke von etwa 2,5 mm aus Zircaloy-4 ASTM B352 Grad RA2 nach der üblichen Herstellung einschließlich dem Formen und Verbinden der beiden Halbteile mittels über die ganze Länge des Kanals verlaufenden Schweißnähten zonenwärmebehandelt. Vor den üblichen Nachbearbeitungsstufen einschließlich der abschließenden Dimensionierung (im Englischen "sizing" genannt) und dem Behandeln mit überhitz-

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tem Dampf wurde der Kanal axial mit einer Geschwindigkeit von etwa 12 bis 13 mm pro Sekunde durch die Heiz- und Kühlstationen geleitet. Dabei wurde eine Zone mit einer Länge von etwa 7,5 bis 10 cm von Zimmertemperatur bis auf etwa 800 C erhitzt, während sich der Kanal durch eine elektrische. Induktionsheizspule bewegte, und die Zone erreichte eine Maximaltemperatur von etwa 920 ⁰C in einem 7,5 cm-Bereich zwischen der Spule und der Kühlstation. Beim Eintreten in die Kühlstation wurde die Temperatur jedes aufeinanderfolgenden Teiles des Kanales von etwa 920 auf etwa 700 ⁰C innerhalb von 3 Sekunden verringert, indem man einen belüfteten Wasserstrom gegen die äußere ringförmige Oberfläche des Kanales richtete. Die abschreckende Wirkung des Stromes verringerte die Kanaltemperatur innerhalb weiterer 6 Sekunden auf etwa 500 ⁰C.

Die wegen der in Luft ausgeführten Wärmebehandlung auf dem Kanal gebildete Oxidschicht wurde durch Sandstrahlen entfernt , und danach wurde die endgültige Dimensionierung des Kanals hinsichtlich der inneren Abmessungen vorgenommen, und die Enden wurden zur Erreichung der endgültigen Länge abgeschnitten. An der Außenseite des Kanales wurden Abstandshalter angebracht, die als Steuerstabführungen dienen sollen, und dann wurde der Kanal in üblicher Weise mit überhitztem Dampf behandelt. Dann konnten in den Kanal die Brennstoffstab-Abstandshalter und die beladenen Füllstoffstäbe eingebracht werden.

Die Untersuchung der MikroStruktur des Kanals nach der Behandlung mit überhitztem Dampf zeigte, daß durch die volle Länge des Kanales eine Wiederverteilung der teilchenförmigen Ausscheidungsphase stattgefunden hat. Die Teilchen der intermetallischen Verbindung Zr(Cr,Fe)„ waren, wie in Figur 2 gezeigt, getrennt und isoliert und mehr oder weniger gleichmäßig verteilt, bevor die Wärmebehandlung stattgefunden hat. Nach der Wärmebehandlung und den Nachbehandlungsoperationen, die oben beschrieben sind, war die MikroStruktur durch eine deutliche Entwicklung einer mikroskopischen Ausscheidung des teilchenförmigen Materials gekennzeichnet, wobei die Teilchen in zweidimensionalen Reihen entlang den oC-Korngrenzen gruppiert waren. Dieser veränderte Zustand, der

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durch den gesamten Kanal vorherrschte und der MikroStruktur einer typischen wärmebeeinflußten Zone einer Schweißstelle mit einzigartiger Beständigkeit gegenüber beschleunigter Pustelkorrosion in Gieuewäcs&erreaktoren entsprach, ist in der Figur 3 dargestellt.

Beispiel II

Es wurde eine Operation wie in Beispiel I beschrieben mit im wesentlichen den gleichen Ergebnissen hinsichtlich der beobachteten mikrostrukturellen Charakteristiken durchgeführt, wobei der Wärmebehandlungs-Zeitplan insofern ein anderer war, als der Kanal von Raumtemperatur auf 8*13 °C mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit von 195 °C pro Sekunde aufgeheizt worden war. Die Temperatur von 8^3 °C wurde für 30 Sekunden aufrechterhalten, und danach kühlte man den Kanal mit einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von 55 °C pro Sekunde auf 538 ⁰C ab. Während der Kanal durch die Erhitzungs- und Abkühlungsstationen eine erhöhte Temperatur aufwies, wurde er unter einer Atmosphäre von Argon und Helium gehalten, wobei die genannten Stationen eingeschlossen waren und der Druck des Inertgases sowohl innerhalb als auch außerhalb des Kanales oberhalb des atmosphärischen Druckes gehalten wurde.

Da die Wärmebehandlung in einer inerten Atmosphäre ausgeführt worden war, erforderte der Kanal keine Sandstrahlbehandlung vor der abschließenden Dimensionierung und Behandlung mit überhitztem Dampf.

Beispiel III

Eine Brennstoffumhüllung aus Zircaloy-4 kommerzieller Qualität wurde nach üblichem Verfahren hergestellt und dann der wie in Beispiel I beschriebenen Wärmebehandlung ausgesetzt. Dabei erfolgte das Erhitzen mit einer Geschwindigkeit von 60 ⁰C pro Sekunde von 750 - 86O ⁰C, und dann wurde die Umhüllung für drei Sekunden bei einer Temperatur zwischen 86O ⁰C und 930 C gehalten und danach mit einer Geschwindigkeit von fast 400 °C/sec

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durch Besprühen mit belüftetem Wasser auf 700 ⁰C abgeschreckt. Die Temperatur der Umhüllung verringerte sich während der nächsten sechs Sekunden weiter auf etwa 500 C. Die dabei erhaltene MikroStruktur ist die in Beispiel I beschriebene und in den Figuren 2 und 3 abgebildete.

Beispiel IV

In einem anderen Experiment ähnlich dem des Beispiels I wurde der Kanal für 5 Sekunden auf eine Maximaltemperatur von 1000 ⁰C erhitzt und dann durch Besprühen mit Wasser mit einer Geschwindigkeit von 400 °C/sec auf 700 ⁰C abgeschreckt und mit einer Geschwindigkeit von 300 °C/sec auf 500 ⁰C. Die erhaltene Mikrostruktur ist die in Figur k abgebildete, in der die charakteristische Widmanstätten-Plattenstruktur erscheint und der größere Anteil der intermetallischen Ausscheidungsphase teilchenförmig in den Korngrenzen und Subkorngrenzen gruppiert ist.

Die im Rahmen der vorhergehenden Beschreibung und in den Ansprüchen angegebenen Verhältnisse und Anteile sind, sofern nichts anderes angegeben, GewichtsVerhältnisse und Gewichtsanteile.

Die Erfindung kann sowohl auf streifenförmiges Material aus Legierungen auf Zirkonbasis als auch auf Kanäle und andere Strukturkomponenten, die daraus hergestellt sind, angewendet werden. Der wesentliche Punkt ist, daß Heiß- oder Kalt-Bearbeiten und Glühoperationen, die zu einer Rehomogenisierung der mikrostrukturellen Ausscheidung, die durch das erfindungsgemäße Verfahren entstanden ist, führen, bei den nachfolgenden Herstellungsschritten zu vermeiden sind. Kanäle können jedoch aus Streifen hergestellt werden, die gemäß der vorliegenden Erfindung behandelt wurden, ohne daß ein solches Heiß- oder Kaltwalzen oder Glühen und die Verursachung einer Rehomogenisation erforderlich ist.

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Claims

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Patentansprüche

Strukturkomponente aus einer Legierung auf Zirkoniumgrundlage mit besonderer Brauchbarkeit in einem Siedewasser-Kernreaktor aufgrund ihrer Beständigkeit gegenüber beschleunigter Pustelkorrosion j wobei diese Legierung Zinn, Eisen und Chrom sowie eine intermetallische teilchenförmige Ausscheidungsphase enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die MikroStruktur des Gegenstandes eine Verteilung der Ausscheidungsteilchen in zweidimensionalen Reihen aufweist.
2. Strukturkomponente nach Anspruch 1, dadurch gekennzei chnet , daß die Reihen von Ausscheidungsteilchen entlang den X-Korngrenzen und -Subkorngrenzen lokalisiert sind.
3. Strukturkomponente nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Legierung im wesentlichen kein Nickel und etwa 1,5 % Zinn, etwa 0,2 % Eisen, etwa 0,1 % Chrom, etwa 0,1 % Sauerstoff und als Rest Zirkonium enthält. ■
4. Strukturkomponente nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Legierung in Gewichtsprozent 1,5 Zinn, etwa 0,15 Eisen, etwa 0,1 Chrom, etwa 0,05 Nickel, etwa 0,1 Sauerstoff und als Rest Zirkonium enthält.
5. Strukturkomponente nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet , daß sie die Form einer Kernbrennstoff-Umhüllung aufweist.
6. Strukturkomponente nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet , daß sie die Form eines Kanales zur Aufnahme eines Kernbrennstoffstabbündels aufweist.

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7. Strukturkomponente nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet , daß sie die Form eines Abstandsgitters für Brennstoffstäbe aufweist.
8. Verfahren zum beträchtlichen Verstärken der Beständigkeit eines Körpers aus einer Legierung auf Zirkoniumbasis gegenüber beschleunigter Pustelkorrosion, gekennzeichnet durch die Stufen des Erhitzens des Körpers auf eine Temperatur, bei der sich die o£-Phase zumindest teilweise in die ß-Phase umwandelt, Halten des Körpers bei dieser Temperatur, um die Umwandlung von dC-Phase in ß-Phase einzuleiten, und danach Abkühlen des Körpers und dabei Ausscheiden der während des Erhitzens gelösten intermetallischen Phase in Form von Teilchen an den iA-Korngrenzen.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß der Körper für mindestens 3 Sekunden in dem Temperaturbereich zur Umwandlung der oC-Phase in die ß-Phase gehalten wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet , daß die Abschreckgeschwindigkeit im Bereich von etwa 100 bis etwa 400 °C/sec liegt.
11. Verfahren nach Anspruch 8-10, dadurch gekennzeichnet , daß die Temperatur, bis zu welcher der Körper erhitzt wird, im Bereich von 825 bis 1100 ⁰C liegt und daß er mit einer Geschwindigkeit von mindestens 20 °C/sec auf eine Temperatur unterhalb von 700 ⁰C abgekühlt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 8-11, dadurch gekennzeichnet , daß der Körper während des Erhitzens und der Phasenumwandlung in einer inerten Atmosphäre gehalten ist.

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