DE3011432A1 - Eisen-nickel-chromlegierung mit verbesserter schwellwiderstandsfaehigkeit und niedriger neutronenabsorption - Google Patents

Description

•Düsseldorf, 24. März 1980 48,082
8019

Westinghouse Electric Corporation Pittsburgh'/ Pa¹./ V.¹ St.- A.

Eisen-Nickel-Chromlegierung mit verbesserter Schwellwiderstandsfähigkeit und niedriger NeutronenabsorptiOn-

. Die Erfindung betrifft alterungshärtbare Eisen-Nickel-Chromlegierungen.

Besonders interessiert hier eine Legierung zur Herstellung von Rohren für schnelle Brutreaktoren sowie für die übermantelung von Brennstoffstäben, wenn die Legierung auch nicht auf diese Anwendungsbereiche begrenzt ist. Eine derartige Legierung erfordert starke mechanische Eigenschaften bei hohen Temperaturen und gleichzeitig hohe Widerstandskraft gegenüber Schwellung unter dem Einfluß der Bestrahlung sowie auch niedrige Neutronenabsorption. Eine derartige Legierung wird beispielsweise in der US-PS 30 46 108 beschrieben. Diese Druckschrift offenbart alterungshärtbare, auf Nickel-Chrom basierende Legierungen, die hohe Festigkeit und gute Duktilität über einen weiten Temperaturbereich bis zu etwa 760° C (.1400° P) ,besitzen. Die vorgenannte Patentschrift offenbart eine auf Nickel basierende Legierung mit einer Nennzusammensetzung, die im wesentlichen etwa 53 % Nickel, 19 % Chrom, 3 % Molybdän, 5 % Niobium, 0,2 % Silicium, 0,2 % Mangan, 0,9 % Titan, 0,45 % Aluminium, 0,04 %

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Kohlenstoff und Rest im wesentlichen Eisen ausmacht. Die Legierung ist dadurch charakterisiert, daß sie im alterungsgehärtetem Zustand eine Zugfestigkeit (0,2 % Streckung) von zu-

2
mindest 7030 kg/cm (100 000 psi) bei Raumtemperatur und eine

2 100-Stunden Bruchfestigkeit von zumindest 6330 kg/cm (90 000 psi)

bei 650° C (1200° F) besitzt.

Es ist bekannt, daß Nickellegierungen, die Titan und Aluminium enthalten, wie beispielsweise die in der US-PS 30 46 108 beschriebenen Legierungen, durch Niederschlag von y '-Phase (Gamma-Strich-Phase) verfestigt werden. Es wurde auch gefunden, daß durch Anpassung der Mengen an Titan, Aluminium und Niobium in derartigen Legierungen eine Morphologie erreicht werden kann, in der niedergeschlagene *f '-Teilchen auf ihren sechs Flächen mit einer Schale von Y ''-Niederschlag (Gamma-Zwei-Strich-Phase) beschichtet sind. Die sich ergebende MikroStruktur ist sehr stabil bei verlängerter Alterung und besitzt gute thermische Stabilitätseigenschaften.

In der US-Patentanmeldung 917 832 vom 22. Juni 1978 wird eine Eisen-Nickel-Chromlegierung beschrieben, die y '- undy¹¹-Phasen umschließt, um hohe mechanische Festigkeitseigenschaften bei erhöhten Temperaturen wie auch gute Widerstandskraft gegenüber Schwellen aufgrund von Bestrahlung zu erhalten. Die in der vorgenannten US-Patentanmeldung beschriebene Legierung enthält etwa 0,3 % Aluminium, etwa 1,7 % Titan, etwa 45 % Nickel, etwa 10 % Chrom und etwa 1,7 % Niobium.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine noch weiter verbesserte alterungshärtbare Eisen-Nickel-Chromlegierung zu schaffen, die y '-Phase oder auch y¹- und «y¹¹-Phase enthält. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Legierung im wesentlichen aus 33 bis 39,5 % Nickel, 7,5 bis 16 % Chrom, 1,5 bis 4 % Niobium, 0,1 bis 1 % Silicium, 0,01 bis 0,8 % Zirkon, 1 bis 3 % Titan, 0,2 bis 0,6 % Aluminium und Rest im wesentlichen Eisen besteht.

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Es wurde gefunden, daß die wünschenswerten Eigenschaften der in der vorgenannten US-Patentanmeldung beschriebenen Legierungen dadurch weiter verbessert werden können, daß der Nickelgehalt auf etwa 35 % reduziert und der Zirkongehalt erhöht und der Aluminiumgehalt auf einen kritischen Wert begrenzt wird. Insbesondere besitzen die erfindungsgemäßen Legierungen einen niedrigeren Neutronenabsorptionsquerschnitt als Legierungen, die höhere Mengen an Nickel enthalten. Außerdem besitzen die erfindungsgemäßen Legierungen eine geringere Tendenz zur Bildung von fehlerhaften Versetzungen, haben höhere Nachbestrahlungsduktilität und gleichzeitig eine höhere Widerstandskraft gegenüber durch Strahlung verursachte Schwellung. Die Legierung gemäß US-PS 30 46 108 besitzt einen Neutronenabsorptionsquerschnitt, der 56 % höher ist als der gemäß AISI 316. Die Legierungen der vorliegenden Beschreibung besitzen Querschnitte, die größenordnungsmäßig nur 27 % höher sind als die von AISI - somit eine deutliche Verbesserung. Außerdem kann die Duktilität der Legierung durch geeignete Wärmebehandlung verbessert werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der ausführlichen Beschreibung von beispielshaften Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert:

Tabelle I gibt die erfindungsgemäße Legierungszusammensetzung in zwei Spalten wieder, wobei die erste Spalte Bereichsangaben und die zweite Spalte den vorzugsweisen Gehalt wiedergibt:

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	- 5 -	■ 39,5	3	- 0,4	vorzugsweiser
	TABELLE I	- 16	- 0,6		Prozentgehalt
	Prozentbereich	- 4	- 0,1		37
		- 0,7	0,002 - 0,015		12
Nickel	33 -	- 0,2	0,05	2,9
Chrom	7,5	Rest	0,2
Niobium	1,5	0,05
Silicium	0,1	1,75
Zirkon	0,01	0,3
Titan	1 -	0,03
Aluminium	0,2	0,005
Kohlenstoff	0,02	0,2
Bor		Rest
Mangan
Eisen

Zusätzlich können bis zu 1,5 % Molybdän und/oder bis zu 0,010 % Magnesium hinzugefügt werden, um die mechanischen Langzeiteigenschaften zu verbessern.

Normalerweise bilden Legierungen, die weniger als 40 % Nickel enthalten, unabhängig von der Wärmebehandlung, keine γ ·'-Phase und die Legierung wird somit nicht ihre schließlichen Eigenschaften erreichen. Es wurde jedoch gefunden, daß der Nickelgehalt weniger als 40 % betragen kann, wenn andere Über-

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legungen in Erwägung gezogen werden. In dieser Hinsicht wurde gefunden, daß der Aluminiumgehalt kritisch ist und 0,6 % dort nicht überschreiten kann, wo der Nickelgehalt unter 40 % liegt, beispielsweise 37 % ausmacht, trotzdem wird */ ''-Niederschlag erhalten. Zwar mag im ersten Augenblick es als notwendig erscheinen, daß ein entsprechender Anstieg auch im Zirkongehalt erfoderlich ist, jedoch ist nicht zu erkennen, in welcher Weise der Zirkongehalt die Transformationseigenschaften dieser Legierung beeinflußt. Außerdem kann ein nachteiliger Effekt der Legierung dort gegeben werden, wo der Zirkongehalt zu hoch ist, da die Legierung dann nicht mehr herstellbar sein wird, beispielsweise durch eine Schweißung.

Die vorstehenden Legierungen sind dadurch charakterisiert, daß sie sowohl γ '-Phase aufweisen. Zur gleichen Zeit wird aufgrund der Tatsache, daß der Nickelgehalt unterhalb 40 Gew% liegt, die Legierung gekennzeichnet durch eine niedrige Neutronenabsorption und besitzt zur gleichen Zeit unter Bestrahlung gute Widerstandskraft gegen Schwellung.

Um die optimierte Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung zu erreichen, wurde eine Anzahl von Legierungen untersucht, deren Zusammensetzung in der folgenden Tabelle II aufgeführt ist:

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■ TABELLE' II

Mo

2,0

2,0 4,0

- 3,6

- 3,0

- 2,9

- 2,9

Si

0,5 0,5 0,5 0,5 0,5

Mn ' Mg Zr Ti

- 0,03 2,8

- 0,03 1,9

- 0,05 2,5

- 0,03 1,9

- 0,05 2,5

- 0,05 0,8

- 0,05 0,8
0,2 0,02 - 1,0

Y »η

0,5 0,2 0,02 0,05 1,8

0,5 O,2 0,02 0,05 1,8

0,5 0,2 0,02 0,05 1,8

0,5 0,2 0,02 0,05 1,8

0,5 0,2 0,02 0,05 1,8

0,35 0,2 0,01 0,05 1,7

0,3 0,2 - 0,5 1,75

0,3 0,2 0,05 0,05 1,75 0,3 0,03 0,005

0,5 0,2 - 0,05 1,75 0,3 0,03 0,005

Identifiziertes Al C B ■ Prezipitat

0,8 0,03 0,010 0,5 0,03 0,010 2,5 0,03 0,005 1,9 0,03 0,01 2,5 0,03 0,005 0,6 0,03 0,005 0,6 0,03 0,005 0,4 0,04 0,005 0,8 0,03 0,005 1,0 0,03 0,005 1,2 0,03 0,005 0,8 0,03 0,005 1,0 0,03 0,005 0,3 0,03 0,005 0,3 0,03 0,005

r¹

Y"

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Die Legierungen waren 16 bis 24 Stunden bei etwa 760° C gealtert.

Bei Untersuchung der Tabelle II ist zu erkennen, daß die meisten Legierungen (z. B. die Legierungen D31-M-5 bis D31-M-9), die weniger als 40 % Nickel enthalten, keine Y¹ '-Phase enthalten, es sei denn, daß der Aluminiumgehalt geringer als 0,6 Gew% ist. In ähnlicher Weise muß der Nickelgehalt größer als 33 bis 35 % sein, um die y ''-Phase zu erhalten.

Bruchfestigkeitsprüfungen bestätigten, daß die 1OO-Stundenbruchfestigkeit bei 650° C für die Legierung D68-B2 bei etwa 586 MPa liegt, was ungefähr der gleiche Wert ist, der für die Legierung D68 ermittelt wurde. Außerdem weist die Legierung D68-B2 einen ungefähr um 10 % niedrigeren Neutronenabsorptionsquerschnitt auf, als die Legierung D68, was zu deutlichen Einsparungen bei Brennstabummantelungsanwendungen sich umsetzen läßt.

Es wurde bereits dargelegt, daß ein niedrigerer Nickelgehalt zusammen mit der Anwesenheit von y ·'-Niederschlag wirksam zu verbesserter Duktilität führt. Diese Duktilität ist am kritischsten im Nach-Bestrahlungs-Modus, und daher ist irgend eine Verbesserung in der Biegeduktilität hochwirksam bei der Herstellung derartiger Materialien, die besonders geeignet sind für Anwendung in schnellen Brutreaktoren.

Um dieses Phänomen zu demonstrieren, wurden die im folgenden aufgelisteten Legierungen, deren chemische Zusammensetzung und Phasenidentifikation in Tabelle II niedergelegt sind, mit einem

Fluß von 6,9 χ 10 Neutronen pro Quadratzentimeter bei einer Temperatur von 593 C +^ 25 C bestrahlt und danach bei einer Temperatur von 730° C getestet. Der Scheibentest, dem die im folgenden angeführten Legierungen ausgesetzt wurden, ist ein speziell ausgearbeiteter Mikroduktilitätstest, bei dem ein Einsenker durch eine Scheibe auf einen Dorn hindurchgedrückt wurde. Dies wurde korreliert mit den Zugfestigkeitsversuchen und gefunden, daß sich identische Ergebnisse zu Gesamtzugfestigkeits-

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testungen ergaben. Der Test wird benutzt, um Reaktortestproben zu untersuchen, da es die Verwendung von Proben mit reduzierter Größe und Form bei der Erlangung von Daten ermöglicht. Die Scheiben, die normalerweise untersucht werden, besitzen einen Durchmesser von 3 mm und eine Dicke von etwa 0,002 mm. Der Test ist nur genau im Bereich von niedriger Duktilität, in dem die Duktilität geringer als 2 % ist, da die Entwicklungsarbeit noch nicht bei Materialien abgeschlossen wurde, die höhere Duktilitäten zeigen. Dieser Test ist bei den meisten größeren Reaktorherstellern in Anwendung und mit staatlichen Testanforderungen kompatibel.

I&gierung'sbezeichhuhg Biegedüktilität (%)

D68-B1 0,2

D68-C1 0,8

Wie bereits gesagt, erfordert die Verwendung dieses Materials in NuklearUmgebung, daß es bei Bestrahlung mit normalen Flüssen niedrige Schwellung zeigen muß. Um dieses besondere Merkmal bei der vorliegenden Erfindung zu demonstrieren, sei Bezug auf die folgende Tabelle genommen, gemäß der die Legierung D68-B2 mit den angegebenen Nennflüssen bestrahlt wurde. Zum Vergleich enthält die Tabelle auch Daten über den Schwellwiderstand von AISI vom Typ 316 unter den gleichen Bedingungen. (Die Abkürzung AISI bedeutet "American Iron and SyIe Institut" und meint von diesem amerikanischen Eisen- und Stahlinstitut herausgegebene Normen).

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Prozent· Schwellung- (6,9 χ 10 n/cm )

Temperatur	25· % Kaltbearbeitetes
°c	D68-B2
427	-0,87
482	-1,19
510	-1,10
538	-0,92
593	-0,65
649	-0,92

20 % Kaltbear-Deitetes

AISI 316

+0,17

+0,79

+1,9

+2,47

+3,20

+0,5

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Aus dem vorstehenden ist zu bemerken, daß die Legierung D68-B2 sich noch verdichtet, während AISI Typ 316 weit in den Hohlraumschwellbereich hineingelangt, unabhängig von der verwendeten Temperatur. Die Daten machen deutlich, daß die Legierungen gemäß der vorliegenden Erfindung besonders geeignet sind, um beispielsweise in schnellen Brutreaktoren angewendet zu werden.

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Claims (3)

1. Alterungshärtbare Eisen-Nickel-Chromlegierung, dadurch gekennzeichnet, daß in der Legierung Gamma-Strich-Phase oder Gamma-Strich- und Gamma-Zwei-Strich-Phase enthalten sind und die Legierung im wesentlichen aus 33 bis 39,5 % Nickel, 7,5 bis 16 % Chrom, 1,5 bis 4 % Niobium, 0,1 bis 1 % Silicium, 0,01 bis 0,8 % Zirkon, 1 bis 3 % Titan, 0,2 bis 0,6 % Aluminium, Rest im wesentlichen Eisen, besteht.

2. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung zusätzlich 0,02 bis 0,1 % Kohlenstoff, 0,002 bis 0,015 % Bor, 0,05 bis 0,4 % Mangan und bis zu 0,010 % Magnesium enthält.

3. Legierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung im wesentlichen aus etwa 37 % Nickel, etwa 12 % Chrom, etwa 2,9 % Niobium, etwa 0,2 % Silicium, etwa 0,5 % Zirkon, etwa 1,75 % Titan, etwa 0,3 % Aluminium, Rest im wesentlichen Eisen, besteht.

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