JPS6063338A - 耐照射脆化に優れた原子炉用Νi基合金部材およびその製造方法 - Google Patents

耐照射脆化に優れた原子炉用Νi基合金部材およびその製造方法

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JPS6063338A
JPS6063338A JP58169689A JP16968983A JPS6063338A JP S6063338 A JPS6063338 A JP S6063338A JP 58169689 A JP58169689 A JP 58169689A JP 16968983 A JP16968983 A JP 16968983A JP S6063338 A JPS6063338 A JP S6063338A
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JP
Japan
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irradiation
based alloy
embrittlement
nuclear reactor
alloy member
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JP58169689A
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English (en)
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Takahiko Kato
隆彦 加藤
Sumi Yoshida
吉田 寿美
Kiyotomo Nakada
仲田 清智
Isao Masaoka
正岡 功
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

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  • Heat Treatment Of Nonferrous Metals Or Alloys (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、耐照射脆化に優れた金属組織を有する新規な
Ni基合金部材およびその製造方法に係り、特に原子炉
において10” nvt以上の中性子照射を受ける環境
中で使用嘔れる原子炉用ばね、ボルトに用いるのに好適
な耐照射脆化に優れた原子炉用Ni基合金部材およびそ
の製造方法[関する。
〔発明の背景〕
従来、この秤の原子炉用ばね、ボルトなどに用いられる
構造部材としては、Ni基合金が主に用いられている。
Ni基合金部材は所定の組成に溶製し、熱間加工で製品
寸法に作製した後、溶体化処理らるいは均質化処理を施
し、次いで時効処理化流して典作嘔れている。この溶体
化処理後の時効処理は結晶粒内にγ′相N’s (AL
、Ti )を析出づぜることにより、ばね等に要求芒ね
、る強度特性をイシIるだめの熱処理である。
一方、このよりなNi基合金部祠は原子炉内で使用嘔れ
る際に高温高圧水による腐食や応力1N食割れ(SCC
)を起こす懸念があるので、的・に粒界に析出するCr
炭化物を抑制する熱処理が流上れていた。このように熱
処理づれ1こNiノ、’;合金部材が原子炉内の高温高
圧水に触するばね、ボルト部材として広く1史用嘔れて
きた。
しかし、近年において、原子炉プラントでは経済性の向
上を図る1こめ、長期間のサイクノトで運転することが
考えられている。こnに伴い原子炉用部材特に燃料集合
体などは炉内で長期間にわたって使用てれる傾向にある
。特に燃ネ1集イ瀘体に組み込まれるばね、ボルト等の
部材は炉内で長期間使用嘔れる除に少なくとも10” 
nvt以上で最大10” nvi程度の中性子照射を被
むることになる。
このような状況において、従来のN i 載台金部材で
は中性子が照射する環境中で使用嘔れ且つ照射量がl 
Q nvt以上になると(を化するとともに均−伸びや
破断伸びが減少することが知らrしている。
そのため、ばね、ボルトなどの部材では原子炉用構造部
材としての所期の機能を損うことが懸念爆れる。
しかしながら、従来のNi基合金部材では1021nv
t以上の中性子を照射てれる特殊な環境下で使用すると
、照射による脆化が著しく使用に耐え得ないという問題
点を有していた。
したがって、耐照射脆化に優れた原子炉用Ni基合金部
材の開発が強く望捷れている。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、結晶粒内のγ′相Ni3(A/、、T
i )の太き烙を規制することにより10” nvt以
上の中性子照射を被むる環境で使用するに好適な耐照射
脆化に優れた金属組織を有する原子炉用Ni基合金部材
お呵びその製造方法を提供するにある。
〔発明の概要〕
本発明者らはNi基合金が強度や耐SCC性の観点から
主に原子炉用部材として使用ちれてきたことに反省を加
えると共に、γ′相を析出嘔せて強化したNi基合金に
あっては中性子照射環境下で使用芒n、る場合にその照
射」t1傷がp71+1睨しえないことに注目した。
本発明は、超高圧貢:顕徴税内で電子線を照射場せる中
性子照射のシミュレート加速1J(験によシ、Ni基合
金の耐照射脆化を調べる過程でな芒れだもので、重量比
で10%以上のCrおよび析出強化元素AtおよびTi
を含有するNi基合金において、結晶粒内に100〜3
00Xのγ′析出物を分散析出系ぜたことに」専徴があ
る。
一般に、面心立方構造を有するNi基合金は、第’!2
1&lに示すように中性子照射によって降伏強塾(せん
断応力に対応する)や引張強芒が増大する反面、伸びの
減少が起こる照射脆化現象が一般によく知らj、ている
一方、このような脆化現象は照射によって拐料内に尋人
ちれる転位に主に起因するものであり、特に照射による
せん断応力の上昇△τと転位の形成量との間に次のよう
な関係があることが知られている。
ただし、(1)式において△τはせん断応力上昇、ρは
転位密度、diおよびN1は各転位ループの密度および
その数である。
△τは照射脆化の指標であり、照射組織から厳密に測定
した転位のρ、diおよびNi値を上式(1)に代入し
て算出することができる。このように照射脆化したNi
基合金のマクロ的な機械的性質は照射によって形成量れ
7辷転位の挙動を電子線加速実j倹により注意深く調べ
ることによって得ることができる。
嘔らに△τをγ′析出相Nls (kl 、 T r 
)の太き忌に対してプロットすると、△τ1−なわぢN
i 基合金の耐照射脆化はγ′析出相の大@烙によって
著しく変わると共に、γ′析出相の直径が100〜30
0にの範囲では耐照射脆化性か極めて良好であることが
見出された。
また、本発明者らは、特に重量比で14〜25%Cr、
30%以下のFe、0.2〜2.0%A7.0.5〜3
%Ti、0,7〜4.5%Nb、残部Niおよび不可避
的不純物からなるNi基合金において、而[照射脆化性
に優れた全屈組織すなわちγ′析出相のiT(径が10
0〜300X、である組織をイ!fるには第2図に示す
領域Mの温度および時間の範囲で時効処理を施せばよい
ことを見い出L7j。
ここでNi基合金はインコネル−750に相当とするも
ので、10%以上のCrおよび析出強化元素としてAt
5Tiを含有することが必要である。
Crは高温の耐酸性を改善するのに必要な元素であり、
あ捷り多く含有量せるとかえって、耐腐食性や面jSC
C性が劣化1−るので、Cr量を14〜25%とした。
At、TiはN1基合金基地にNi、(At%Ti )
のγ′相を分散析出名せて強度を改善する1「(要な元
素であって、時効処理によってγ′相の直径7100〜
3.00 Aの範囲に抑制するには、A)、おヨヒT 
I (7) 含(’T 3i(rJ−0,2〜2.0 
’);; オL ヒ0.5〜3 Xの範囲にすることが
好ましい。
Nbは基地にNl)炭化物を析出し、結晶粒を微細化す
る元素であシ、且つTiと相乗して溶接性を改善する元
素である。そのためNb含有量は、0.7〜4.5%の
範囲にすることが好ましい。
FeはNi基合金の耐食性を劣化芒せるので、30%以
下とした。Niは高温の強度を高めると共に、γ′相の
形成するのに重要ガ元素であり、残部としたO 本発明法における溶体化処理後の時効処理条件は、第1
図に示す通りである。
す寿わち、第1図尾示す領域MはA、BおよびC線で囲
1 、t’1. fc斜線部であり、各人、BおよびC
線は次に示す式で設定することができる。
A線はγ′析出相の直径が30OAを示すための時効処
理条件(温度および時間)の曲線である。
A線は時効温度(0K)をTと、時効時間(hr )を
tとすると次の実験式に表わすことができる。
・・・(2) 上記(2)式で表わ芒れるA線を越える時効処理ではγ
′析出相の直径が300穴より大きくなり不適当である
13線は次の式で示すことができる。
・・・(3) B線はγ′析m卸の直径が10OAを丞す時効処理条件
である。B線の下側で水上れる時効処理条件ではγ′析
出相の直径が100 X 、t’、り小量くなるので好
ましくない。
C線で水石れる800℃を越える温度で時効するとγ′
相の直径が100〜300λであってもγ′析出相の体
積密度が減少し、個々のγ′相の間隔が増大して強度が
減少してし1うので、時効温度は800℃を上限とした
本発明によるNi基基合金製月相、原子炉中で中性子照
射量が10” nvt以上の環境で使用てれるに好適で
あり、−例として第1表に、本発明のNi基合金製部材
が適用嘔れる沸jLi#水型及び加圧水型原子炉川内部
品を示す。
第1表 上記第1表で示L7た部品のうち主なものについて、そ
の部品の外観を第3図および第4図に示す。
第3図(A) (B)はθ14 lag水型原子炉内で
使用する燃料集合体(A図)および燃料棒(B図)の−
例を示す外観図であって、1は燃料棒2を収納したチャ
ンネルボックヌ、3は燃料棒2を束ねるスペーサである
。燃料棒2は円筒状であり、その内部には収納した燃料
ベレット4がブj/ナノ・スブリング5により押忌れて
保持烙れてし)る。なお6は膨張スプリング、7けフィ
ンガース′プリング、8はリーフスプリング、9(l−
1tボルトとしてのキャップ。
スクリューである。
第4図は加圧水型原子炉に使用孕れる燃料集合体であっ
て、図(A)は燃料集合体10を示し、図(B)は燃料
集合体10内に収納した燃料棒11を示す。なお12は
グリッド、13はブレナムヌブリングを示す。
〔発明の実施例〕
以下、本発明の詳細な説明゛1−る。
素材は析出強化型Ni基合金のインコネルX−750で
ある。七の主な化学成分は73.0’1%Ni、15.
45%Cr、 7.135/、Fe、 (1,67%A
t、2.63%Ti、1.08%Nbおよび不−0]逆
的不純物である。
このよりなNi基合金に各条件で時効処理を施してγ′
相の直径を種々変えると共に、各々処理材について超高
圧電子顕微鏡内電子線照射により、せん断応力上昇△τ
をめた。
第5図はγ′相直径に対するせん断応力上昇△τを示す
線図である。
実験は照射温度450℃で、中性子照射量で概ね10”
 nvtに相当する照射量まで照射した。第5図に水爆
れるように、結晶粒内に分散析出したγ′相の直径が1
00〜300Aのとき、耐照射脆化の指標となる△で1
直が最小値とが9、このγ′相の大きさのときに耐照射
脆化が優れていることが認められた。またγ′相の直径
が100〜300^の範囲より小感〈ても大きくてもΔ
τ値は増大し、耐照射脆化が低下することがわかった。
−万、第6図は処理材の硬度を測定した結果を示す。実
際に原子炉内で使用芒れるばねやボルトは使用するに必
要な強度としてビッカース硬”AHVで280以上が要
求芒れる。従って第6図よりγ′相の直径を100〜3
00Aとすることによシ必要な強度は満たδれる。これ
らのことから中性子照射環境中で使用ちれる原子炉用ば
ね、ボルト用部材としては、直径100〜300Aのγ
′析出相Nis (At、 Ti )を結晶粒内に分散
析出させた金属組織を有することにより、耐照射脱化及
び強度に極めて優t’l−fc N i基合金部材を提
供することができる。
〔発明の応用例〕
本発明は、γ′析出相Nrs(At、’J’i)の直径
が100〜300大の範囲内にあるNi基合金部材、た
とえば結晶粒内のγ′析出相の直径が1−ぺて同一でな
くとも、100〜3ooAのγ′析出相が自由に混在す
るNi基合金部材を含むものである。
このような混在した組織を有するNi基合金部拐であっ
ても耐照射脆化に優れており、本発明の一応用例である
壕1こ直径がtook、、200穴、300人のγ′相
が混在した金属組織をもつ部材は本発明の変形例である
。また100〜3ooAの範囲の太き芒のγ′析出相を
もちかつγ′析出相の大@名が違ったγ′相の混在組織
を得るための熱処理として、第1図の領域Mで示した温
度一時間範1バ1で2段以上の時効処理を族1一方法は
本発明法の応用例である。
なお、Ni基合金に中性子を照射量せて、γ′析出相の
直径を100〜300^の範囲に成長芒せtNi基合金
部材は本発明に含捷れることは勿論である。
〔発明の効果〕
以上の説明から明らか万ように、本発明によれば、耐照
射脆化に極めて優t′したNi基合金部材を得ることが
できるとともに、中性子照射量102′nvt以上の照
射を被むる原子炉内に用いるばね、ボルトなどに適用す
れば原子炉の運転寿命を延長させることができ、ひいて
は原子炉の信頼性および経済性が向上するという顕著な
効果を有する。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明法における時効処理灸件の範囲を示す説
明図、第2図は中性子照射による応力−歪曲線の変化を
示す線図、第3図は沸騰水型原子炉内で使用する燃料集
合体(A図)および燃料棒(B図)の−例を示す外観図
、第4図は加圧水型原子炉に使用される燃料集合体(A
図)および燃料棒(B図)の−例を示す外観図、第5図
はγ′析出相の直径と−Wん断応力上昇との関係を示す
線図、第6図はγ′析出相の直径と硬度との関係を示す
線図である。 1・・・チャンネルボックス、2・・・(+” *’l
 (′?、10・・・燃料集合体、11・・・燃料棒。 代理人 弁理士 鵜 沼 辰 之 第1図 8今 り刀 B専へf’l Ch’) 第2図 第 3 図 (A) (B) 第4図 (A) (B) ミ ャ々冒−リやや詠2 で 冒 −y座

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1) 原子炉内で102凰nvt以上(中性子束()
    IM e V以上)の中性子照射を被むる環境下でイ史
    J11−1−るNi基合金部材にあって、前記Ni基合
    金が重量比で10%以上のCrおよび析出強化元系と【
    、てAt、Tiを含有するとともに、結晶粒内に直径1
    00〜3oO^ノ、/析出相Nil (At、 Ti 
    )’、(分子tk析11j芒せた金属組織を有すること
    を特徴とする耐熱照射脆化に俊ハ、た原子炉用N1基合
    金部材。
  2. (2)原子炉内で10” nvt以上(中性子束0.1
    MeV以上)の中性子照射を被むる環境下で使用嘔れ、
    且ツ5fj、量比でCr二二番4〜25%l;’e:3
    0%以下、At:0.2〜2%、Ti:0.5〜3%、
    Nb:0.7〜45%、残部Niおよび不可逆的不純物
    からなるNI基合金部材を製造するにあたって、前記N
    i基合金を950℃以上で固溶化処理を施した後、第1
    図の領域Mの温度および時間範囲で時効処理を行うこと
    を特徴とする耐照射脆化に優れた原子炉用Ni基合金部
    材の製造方法。
JP58169689A 1983-09-14 1983-09-14 耐照射脆化に優れた原子炉用Νi基合金部材およびその製造方法 Pending JPS6063338A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8512488B2 (en) 2006-08-25 2013-08-20 Hitachi, Ltd. Ni—Fe based forging superalloy excellent in high-temperature strength and high-temperature ductility, method of manufacturing the same, and steam turbine rotor

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS56169741A (en) * 1980-05-30 1981-12-26 Hitachi Ltd Component for nuclear reactor and heat treating method thereof
JPS5931841A (ja) * 1982-08-17 1984-02-21 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 耐SCC性Ni基合金部材及びその熱処理法

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