DE3902634A1 - Austenitischer stahl mit verbesserter widerstandsfaehigkeit gegen neutroneninduziertes schwellen und heliumversproedung - Google Patents
Austenitischer stahl mit verbesserter widerstandsfaehigkeit gegen neutroneninduziertes schwellen und heliumversproedungInfo
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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.
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.
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.
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% |
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%.
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%.
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 (2)
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.
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.
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.
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE3902634A DE3902634A1 (de) | 1989-01-30 | 1989-01-30 | Austenitischer stahl mit verbesserter widerstandsfaehigkeit gegen neutroneninduziertes schwellen und heliumversproedung |
FR8917251A FR2642437B1 (fr) | 1989-01-30 | 1989-12-27 | Acier austenitique a resistance amelioree vis-a-vis du gonflement induit par les neutrons et a la fragilisation par l'helium |
GB9001854A GB2228013B (en) | 1989-01-30 | 1990-01-26 | An austenitic steel with improved resistance to neutron-induced swelling and helium embrittlement |
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Publications (2)
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ID=6373041
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FR (1) | FR2642437B1 (de) |
GB (1) | GB2228013B (de) |
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