DE2910653C2

DE2910653C2 -

Info

Publication number: DE2910653C2
Application number: DE2910653A
Authority: DE
Inventors: Robert C. Ringwood N.J. Us Gibson; Michael K. Richland Wash. Us Korenko
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1978-06-22
Filing date: 1979-03-17
Publication date: 1987-07-09
Also published as: FR2429267A1; DE2910653A1; GB2023652B; IT7941537A0; SE452340B; FR2429267B1; GB2023652A; BE874959A; NL7901501A; JPS5585647A; CA1115995A; US4231795A; IT1125956B; SE7902559L; JPS6325062B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Nickellegierung für Steuerungselemente eines Kernreaktors.

Auf Nickel basierende Legierungen zeigen unter Kernreaktorbestrahlung Langzeitstrukturstabilität und geringe Schwellung, siehe US-Patentanmeldung 9 17 832 vom 22. Juni 1978, wo diese Legierungen beschrieben werden. Zwar weisen diese Legierungen weniger Nickel und etwas schlechtere physikalische Eigenschaften auf, als die Legierungen gemäß der vorliegenden Erfindung, besitzen jedoch einen viel niedrigeren Neutronenquerschnitt und können daher als Brennstabplattierungen oder als Strukturelemente innerhalb des Reaktorkerns allgemein verwendet werden. Dagegen ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Legierung innerhalb des Reaktors begrenzt auf Anwendungen, wo ein niedriger Neutronenquerschnitt nicht notwendig ist, das gilt insbesondere für die Steuerungselemente von Kernreaktoren.

Aus der US-PS 39 72 752 ist eine Legierung bekannt, siehe insbesondere den dortigen Anspruch 1, die aus 15 bis 25% Eisen, 15 bis 25% Chrom, 0,01 bis 0,2% Kohlenstoff, bis zu 0,35% Silizium, 2,5 bis 9% Molybdän, 1,5 bis 6,5% Niob, 0,5 bis 1,5% Titan, 0,3 bis 1,5% Aluminium, bis 0,01% Bor, Rest Nickel bestehen kann. Weitere in diesem Anspruch 1 genannte Elemente, nämlich Mangan, Schwefel, Phospor und Tantal, sind nicht zwingend vorgeschrieben und können daher auch fehlen.

Bei der aus dieser Druckschrift bekannten Legierung ist Zirkon nicht enthalten. Jedoch ist aus der DE-AS 12 50 642 (vgl. insbesondere die dortigen Ansprüche 1 und 4 sowie die Kohlenstoffgehaltsangaben in den Zahlentafeln I und V) eine Legierung bekannt, die Zirkon enthält, sich aber durch den hohen Niobgehalt von der erfindungsgemäßen Legierung unterscheidet. Ansonsten überdecken sich teilweise die Gehaltsbereiche der Elemente der Legierungen gemäß den beiden Entgegenhaltungen mit denen der erfindungsgemäßen Legierung.

Beiden Druckschriften ist insbesondere jedoch nicht entnehmbar, daß die erfindungsgemäße Legierung für Steuerungselemente in einem Kernreaktor geeignet sind.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Nickellegierung, die für die Steuerungselemente eines Kernreaktors geeignet ist. Insbesondere soll die Legierung dabei die Eingenschaftskombination von hoher Festigkeit, hoher Stabilität und hoher Schweißbarkeit erhalten und eine möglichst geringe Schwellung unter Nuklearbestrahlung aufweisen. Gelöst wird die Aufgabe durch eine Nickellegierung, die - in Gew% - folgende Zusammensetzung aufweist: 57 bis 63 Ni, 7 bis 18 Cr, 10 bis 20 Fe, 4 bis 6 Mo, 1 bis 2 Nb, 0,2 bis 0,8 Si, 0,01 bis 0,05 Zr, 1,0 bis 2,5 Ti, 1,0 bis 2,5 Al, 0,02 bis 0,06 C und 0,002 bis 0,15 B.

Es wurde gefunden, daß eine derartig zusammengesetzte Legierung hohe Festigkeit, hohe Stabilität und hohe Schweißbarkeit aufweist und nur eine verhältnismäßig geringe Schwellung unter Nuklearbestrahlung zeigt. Es wurde ermittelt, daß bestimmte kritische enge Bereiche bezüglich der Zusammensetzung eingehalten werden sollten, wobei besonders kritisch die Konzentration von Titan, Niob, Aluminium und Molybdän ist. Bestimmte Zirkon- und Borkonzentrationen schützen zudem die Korngrenzen und führen zu der erwünschten Verringerung der Schwellneigung unter Nuklearbestrahlung. Silizium verringert ebenfalls das Schwellen unter Kernreaktorbestrahlung und wird - im Gegensatz zum von der US-PS 39 72 752 gebildeten Stand der Technik - vorzugsweise in Mengen größer als 0,5% angewendet (siehe Anspruch 3). Ursprünglich hatten die Erfinder zum Ziel gesetzt, eine neue, durch feste Lösung und Niederschlag gehärtete Nickel-Chrom-Eisen-Legierung zu schaffen, die stabil ist, niedrige Schwellung zeigt und gegenüber plastischer Deformation innerhalb des Kernreaktors widerstandsfähig ist. Bei Versuchen wurde ermittelt, daß das beste im Handel erhältliche Material, Inconel 625, unter Bestrahlung zu starke Schwellung zeigt. Die erfindungsgemäße Legierung ergab sich dann bei dem Versuch, die Schwellung zu vermindern. Die erfindungsgemäße Legierung zeigt jedoch auch besonders gute Festigkeit und Schweißbarkeit, so daß auch außerhalb des Nuklearbereichs eine Verwendungsmöglichkeit besteht.

Die erfindungsgemäße Legierung stellt eine durch Gamma-Strich- Phase gehärtete Legierung mit hohem Nickelgehalt dar und besitzt gegenüber anderen bereits bekannten Legierungen, wie Inconel 625, nicht nur die verbesserte Festigkeit, verbesserte strukturelle Stabilität und verbesserte Schweißbarkeit, sondern insbesondere auch eine vergrößerte Widerstandskraft gegenüber Schwellung oder Kernreaktorbestrahlung.

Die Erfindung sei nun anhand des folgenden Beispiels noch näher erläutert:

Beispiel

In Tabelle I ist neben der Legierung Nr. D41, die als Vergleichslegierung anzusehen ist, eine erfindungsgemäße Legierung mit der Nr. D42 dargestellt, wobei an beiden Legierungen umfangreiche Untersuchungen durchgeführt wurden.

Tabelle I

Legierungszusammensetzung (Gew%)

Beide Legierungen wurden in einem Induktionsofen unter Vakuum geschmolzen und zu Barren von 45 kg Gewicht gegossen. Nach Oberflächenkonditionierung wurden die Legierungen in einen Ofen gegeben, auf 1093°C erhitzt und dann zwei Stunden lang geglüht, bevor die Barren zu Knüppeln mit Ausmaßen von 6,35 × 6,35 cm im Querschnitt heißgewalzt wurden. Teile der Knüppel wurden dann zu 12,7 mm dicken Platten heißgewalzt.

Proben wurden dann verschiedenen Behandlungen ausgesetzt. Die sich ergebenden Festigkeitseigenschaften sind in Tabelle II aufgelistet. Die Endfestigkeit von Inconel 625 beträgt nur etwa 710 N/mm² bei 650° C, und es ist zu erkennen, daß die Legierung D42 (mit einer Endfestigkeit von über 1034 N/mm² bei 650°C bei Behandlung Nr. 5, um nur ein Beispiel zu nennen), wesentlich besser ist. Die höchsten Festigkeiten wurden für die Behandlung Nr. 4 und Nr. 5 erzielt. Die Steuerung bezüglich der Warmbearbeitungsbehandlung (Behandlung Nr. 4) war aufgrund der sehr schnellen Abkühlung der dünnen Bleche bei Berührung mit den Walzen schwierig, so daß die Behandlung Nr. 5 für die Belastungsbruchversuche gewählt wurde, statt die Behandlung Nr. 4. Die Behandlung Nr. 2 wurde auch für Belastungsbruchversuche ausgewählt und beide Ergebnisse sind in Tabelle III wiedergegeben. Es sollte bemerkt werden, daß die geschätzten 1000-Stunden-Bruchfestigkeiten nur Schätzungen sind und daß aufgrund der begrenzten Anzahl der Versuche bei der Legierung D42 (Behandlung Nr. 5) sowohl die 100-Stunden- als auch die 1000-Stunden-Bruchfestigkeit lediglich als Schätzwerte für diese Legierung angesehen werden sollten. Die 100-Stunden- Bruchfestigkeit von Inconel 625 bei 650°C beträgt nur 427 N/mm², während zu erkennen ist, daß die Legierung D42 mit einer 100- Stunden-Bruchfestigkeit von 510 N/mm² wesentlich besser ist.

Die Zugfestigkeitseigenschaften bei Raumtemperatur nach einer Stabilitätsbelastungsbehandlung (30% Kaltbearbeitung + 200 Stunden bei 700°C) sind in Tabelle IV wiedergegeben. Es ist zu erkennen, daß die Legierungen ähnliche Festigkeits- und Duktilitätseigenschaften aufweisen. Die Mikrostrukturen wurden nach der 700°C-Behandlung untersucht. Für die Legierung D41 wurde eine doppelte Gamma-Strich-Größenverteilung entwickelt. Legierung D42 zeigte eine feinere Gamma-Strich-Dispersion. Es gab keinerlei Anzeichen für irgendeine nadelförmige Phase in der Mikrostruktur von diesen beiden Legierungen.

Wie bereits erwähnt können Legierungen, die nicht bei Nuklearreaktoren oder dort nur für Steueranlagen angewendet werden sollen, so ausgeführt werden, daß sie höhere Nickelgehalte als die Legierungen besitzen, die für die Plattierung von Nuklearbrennstäben gedacht sind (wo niedrige Neutronenabsorption wichtig ist). Zwar können Legierungen mit höherem Nickelgehalt wie Inconel 625 bei Anwendungsfällen benutzt werden, bei denen die Neutronenabsorption nicht wichtig ist, jedoch besitzt die erfindungsgemäße Legierung gegenüber dieser bekannten Legierung weitere Vorteile, insbesondere besitzt sie niedrigere Schwellung, größere Festigkeit sowie, wie bereits oben angegeben, bessere Schweißbarkeit.

Makrogeätzte mikrografische Darstellungen sowohl der Legierung D41 als auch der Legierung D42 zeigen, daß beide Legierungen gute duktile Schweißnähte erzeugen. Biegeversuche zeigen jedoch, daß Schweißungen mit der Legierung D42 ungefähr 50% duktiler waren als die mit der Legierung D41. Der Vorteil der Schweißung höherer Duktilität ist verbunden mit der Tatsache, daß die Legierung D42 stärker auf die Festigkeitserhöhung durch feste Lösung aufbaut als die Legierung D41, führt dazu, daß Legierungen im Gehaltsbereich der Legierung D42 bessere Eigenschaften aufweisen. Die Probleme der Schweißbarkeit, die bei Inconel 625 auftreten, wurden bei der D42-Legierung nicht beobachtet.

Es wird angenommen, daß das Silizium als Schwellunterdrücker arbeitet und daß insbesondere bei Nuklearanwendungen der Siliziumgehalt vorzugsweise zumindest 0,5% betragen sollte, und es gibt Anzeichen dafür, daß der optimale Siliziumgehalt größer als 0,5% ist. Es wird vermutet, daß der Molybdängehalt zur Laves-Phase beiträgt (die die Festigkeit negativ beeinflußt und die Schwellung erhöht) und daß insbesondere bei Reaktoranwendungen der Molydängehalt vorzugsweise geringer als 5% sein sollte. Der Gehalt an Zirkon und Bor ist vermutlich ebenfalls wichtig für den Schutz der Korngrenzen und diese Bestandteile können bei Reaktoranwendungen das Schwellen verringern. Der Borgehalt ist vorzugsweise nicht kleiner als 0,01 und der Zirkongehalt ist vorzugsweise nicht kleiner als 0,03.

Es wird angenommen, daß die stark verbesserte Schweißbarkeit sich durch den niedrigeren Gehalt dieser Legierungen an Titan, Niob und Aluminium ergibt. Vorzugsweise ist der Titangehalt nicht größer als 1,5%, der Aluminiumgehalt nicht größer als 1,5% und der Niobgehalt nicht größer als 1,5%.

Tabelle II

Zugfestigkeitseigenschaften der Legierungen D41 und D42

Tabelle III

Belastungsbrucheigenschaften der Legierungen D41 und D42

Tabelle IV

Zugfestigkeitseigenschaften bei Raumtemperatur nach Stabilitätsbehandlung

Claims

1. Nickellegierung für Steuerungselemente eines Kernreaktors, bestehend aus - in Gew% - 57 bis 63 Ni, 7 bis 18 Cr, 10 bis 20 Fe, 4 bis 6 Mo, 1 bis 2 Nb, 0,2 bis 0,8 Si, 0,01 bis 0,05 Zr, 1,0 bis 2,5 Ti, 1,0 bis 2,5 Al, 0,02 bis 0,06 C und 0,002 bis 0,015 B.

2. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Titangehalt - in Gew% - nicht größer als 1,5, der Aluminiumgehalt nicht größer als 1,5, und der Niobgehalt nicht größer als 1,5 ist.

3. Legierung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Siliziumgehalt größer als 0,5 Gew% ist.

4. Legierung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Molybdängehalt nicht größer als 5 Gew.% ist.

5. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Borgehalt nicht kleiner als 0,010 Gew% und der Zirkongehalt nicht kleiner als 0,03 Gew% ist.