DE3902634A1

DE3902634A1 - Austenitischer stahl mit verbesserter widerstandsfaehigkeit gegen neutroneninduziertes schwellen und heliumversproedung

Info

Publication number: DE3902634A1
Application number: DE3902634A
Authority: DE
Inventors: Ludwig Schaefer
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1989-01-30
Filing date: 1989-01-30
Publication date: 1990-08-02
Also published as: GB2228013B; GB9001854D0; FR2642437A1; GB2228013A; DE3902634C2; FR2642437B1

Description

Die Erfindung betrifft einen austenitischen Stahl mit verbesserter Widerstandsfähigkeit gegen neutroneninduziertes Schwellen und Heliumversprödung.

Die Kernstrukturwerkstoffe von Atomreaktoren, insbesondere von schnellen Brutreaktoren, neigen unter dem Einfluß der Neutronenstrahlung zum Schwellen. Außerdem wird im Wirkstoff Helium eingelagert, das an die Korngrenzen diffundiert und zum Verspröden des Werkstoffs führt.

Aus der DE-OS 30 11 432 ist eine Eisen-Nickel-Chromlegierung mit verbesserter Schwellwiderstandsfähigkeit bekannt, deren Zusammensetzung in der Tabelle I dargestellt ist.

Tabelle I

Zusammensetzung der Legierung nach DE-OS 30 11 432

In dieser Legierung sind Gamma-Strich-(γ′)- oder Gamma-zwei- Strich-(γ′′)-Phasen enthalten. Es hat sich gezeigt, daß diese Phasen unter Bestrahlung nicht stabil sind. Die Duktilität dieser Werkstoffe ist nach der Bestrahlung nicht ausreichend.

Aus der Veröffentlichung eines Tagungsberichts von K. Ehrlich und K. Anderko, IAEA-SM 284/17, Lyon (Frankreich), 22.-26. Juli 1985, ist eine Legierung unter der Bezeichnung B801 bekanntgeworden, die die in Tabelle II angegebene Zusammensetzung aufweist.

Zusammensetzung der Legierung nach IAEA-SM 284/17
Kohlenstoff\|0,01%
Chrom	11,1%
Nickel	30,5%
Molybdän	2,0%
Vanadin	0,7%
Silizium	0,6%
Mangan	0,39%
Bor	0,0055%
Stickstoff	0,11%

Diese Legierung weist ein günstiges Schwellverhalten auf, jedoch werden über ihre Duktilität nach Bestrahlung keine Aussagen gemacht.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen austenitischen Stahl anzugeben, der bei hoher Schwellresistenz gleichzeitig eine hohe Duktilität nach Bestrahlung aufweist. Der Stahl soll sich insbesondere für Bauteile in Reaktorkernen von schnellen Brutreaktoren eignen und eine hohe Langzeitstabilität aufweisen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen austenitischen Stahl mit der in der Tabelle III angegebenen Zusammensetzung.

Tabelle III

Zusammensetzung des erfindungsgemäßen Stahls

Wesentlich für die guten Eigenschaften des erfindungsgemäßen Stahls sind der relativ hohe Nickelgehalt, ein Chromgehalt, der um einen Faktor 2,3 bis 2,7 geringer ist als der Nickelgehalt, eine feindispersive Ausscheidung von stabilen Karbonitriden und eine Korngrenzenverfestigung durch Boride mit Zirkonzusatz.

Der erfindungsgemäße Stahl neigt unter Neutronenbestrahlung nicht zum Schwellen. Gleichzeitig wird seine Duktilität nach Bestrahlung nicht entscheidend vermindert.

Die hohe Duktilität wird dadurch erreicht, daß aus α-Strahlung im Werkstoff entstehendes Helium am Ort seiner Entstehung festgehalten wird und nicht zu den Korngrenzen diffundieren kann. Für diesen Effekt ist die feindispersive Ausscheidung von Nitrid-, Carbid- und/oder Karbonitrid-Phasen verantwortlich, wodurch eine Vielzahl von Gitterfehlstellen erzeugt werden, an denen Helium fixiert wird.

Die Elemente Bor und Zirkonium werden zugesetzt, um die Korngrenzenausscheidungen zu stabilisieren. Sie bilden eine zweite Sicherungsmaßnahme gegen die versprödende Wirkung von Helium im Werkstoff.

Der erfindungsgemäße Stahl muß bei seiner Verarbeitung mindestens einem abschließenden Kaltverformungsschritt unterzogen werden.

Vorzugsweise wird die Verarbeitung durch eine letzte Kaltverformung von 13 bis 16% abgeschlossen. Hierdurch wird die Schwellresistenz weiter erhöht.

Es hat sich gezeigt, daß die erwähnten feindispersiven Karbo nitrid-Phasen vor allem durch die Zumischung von Titan und Vanadin und Silizium erreicht werden.

Durch die Zumischung von Niob und insbesondere Aluminium und Zirkonium wird dieser Effekt weiter verstärkt. Durch die gleichzeitige Zumischung von Zirkonium und Bor wird erreicht, daß bei der Bearbeitung des Werkstoffs die Korngrenzenausscheidungen nicht agglomerieren.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Durchführungsbeispielen näher erläutert.

Beispiel 1

Eine Charge von 20 kg wurde in einem Vakuum-Induktionsofen erschmolzen.

Die einzelnen Elemente wurden in elementarer Form gemischt; Stickstoff und Kohlenstoff wurden als Eisennitride und -carbide zugesetzt.

Die Charge wurde anschließend in einem Vakuum-Lichtbogenofen umgeschmolzen und danach bei ca. 1150°C zuerst vorgeschmiedet und dann bei 1000°C ausgeschmiedet. Der Werkstoff wurde 1 Stunde lang bei 1100°C homogenisiert. Danach erfolgten die Schritte Abdrehen und Schlichten sowie eine Rißprüfung.

Eine Analyse ergab die folgende Zusammensetzung:

Fe\|55,1%
Mo	1,9%
Nb	0,34%
Mn	0,1%
C	0,022%
Ni	29,5%
V	0,63%
Ti	0,31%
Zr	0,041%
P	0,014%
Cr	11,2%
Si	0,54%
Al	0,16%
N	0,025%
B	0,006%

Beispiel 2

Aus dem Werkstoff nach Beispiel 1 wurde ein Brennstabhüllrohr mit einem Außendurchmesser von 6 mm und einer Wandstärke von 0,38 mm durch die folgenden Verfahrensschritte hergestellt:

- Kaltverformung von ca. 50% mit anschließender Rekristallisation bei 1075°C/3 min im ca. 10fachen Wechsel bis zum Vormaß,
- eine vorletzte Kaltverformung von 50%,
- eine letzte Rekristallisation bei 950°C/30 min,
- eine letzte Kaltverformung von 13 bis 16%.

Beispiel 3

Entsprechend Beispiel 2 wurden kleine Scheibchen mit einem Durchmesser von 3 mm und einer Dicke von 0,18 mm hergestellt und in einem "Variable Energy Cyclotron" (VEC) bestrahlt. Zunächst wurden ca. 17,5 appm Helium vorimplantiert, um die He-Transmutation während einer Neutronenbestrahlung zu simulieren. Anschließend wurde bei 575°C mit 66 MeV-Ni⁶⁺-Ionen bis zu einer Dosis von ca. 70 dpa ± 10% (= 64 dpa NRT) bestrahlt. Da die Schicht maximaler Schädigung bei der verwendeten Technik in ca. 3,5 µm Tiefe liegt, wurde die darüberliegende Schicht durch Vibrationspolieren abgetragen. Für die Untersuchungen im Transmissionselektronenmikroskop wurden die Proben nach dem "back-thinning"-Verfahren abgedünnt. Die Photos aus den Bereichen mit Poren wurden nach Porendurchmesser und -konzentration ausgewertet und es wurde das Volumenschwellen in % berechnet. Der Wert für die Legierung nach Beispiel 1 betrug maximal 0,2%.

Beispiel 4

Entsprechend Beispiel 2 wurden Flachzugproben mit einer Abmessung der Meßlänge von 25×4×0,5 hergestellt und in einer natriumgefüllten Bestrahlungskapsel bei einer Temperatur von T = 650°C bis zu einer Neutronendosis von ca. 10²² n/cm² bestrahlt, wobei ca. 68 appm He akkumuliert wurden. Nach der Bestrahlung wurden die Zugproben in heißen Zellen in Zug- und Zeitstandversuchen geprüft. Die bei einer Prüftemperatur von 700°C gemessene Bruchdehnung betrug im Zugversuch A = 16,8% und im Zeitstandversuch A = 11% (für eine Standzeit von ca. 2000 Stunden).

Claims

1. Austenitischer Stahl mit verbesserter Widerstandsfähigkeit gegen neutroneninduziertes Schwellen, bestehend aus 26-33% Nickel
11-14% Chrom
1,7-2,1% Molybdän
0,4-0,8% Vanadin
0,4-0,8% Silizium
0-0,4% Niob
0,3-0,6% Titan
0,1-0,2% Aluminium
maximal 0,5% Mangan
0,03-0,05% Zirkonium
0,02-0,08% Stickstoff
0,02-0,06% Kohlenstoff
0,01-0,06% Phosphor
0,004-0,008% Bor undRest Eisen mit zufälligen Verunreinigungen.

2. Austenitischer Stahl nach Anspruch 1, bestehend aus 29,5-30,5% Nickel
11,0-12,0% Chrom
1,8-2,0% Molybdän
0,6-0,7% Vanadin
0,5-0,7% Silicium
0,2-0,3% Niob
0,3-0,4% Titan
0,1-0,2% Aluminium
maximal 0,3% Mangan
0,03-0,05% Zirkonium
0,02-0,08% Stickstoff
0,02-0,04% Kohlenstoff
0,01-0,05% Phosphor
0,006-0,007% Bor undRest Eisen mit zufälligen Verunreinigungen.