KR20130116668A - Zirconium alloy having excellent mechanical properties and corrosion resistance for nuclear fuel rod cladding tube - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 원자력발전소 원자로심 내에서 핵연료를 가두고 핵분열 생성물이 냉각수로 유입되는 것을 막아주는 핵연료 피복관용 합금재료에 관한 것으로, 보다 상세하게는 종래에 비하여 우수한 기계적 특성과 부식저항성을 갖는 핵연료 피복관용 지르코늄 합금에 관한 것이다.
The present invention relates to an alloy material for nuclear fuel cladding, which confines nuclear fuel in a nuclear power plant nuclear reactor and prevents fission products from flowing into the cooling water. More specifically, the invention relates to a nuclear fuel cladding having superior mechanical properties and corrosion resistance as compared with the prior art. Relates to a zirconium alloy.
지르코늄 합금은 낮은 중성자 흡수 단면적과 우수한 부식저항성 및 기계적 특성 때문에 원자로심 내에서 핵연료 피복관 및 구조물 재료로 광범위하게 사용되고 있는데, 현재까지 개발된 지르코늄 합금 중에서 지르칼로이(Zircaloy)-2와 지르칼로이-4 합금이 가장 널리 사용되고 있다. 지르칼로이계 합금에 대한 사항은 ASTM STP-368(p. 3-27, 1963)에 자세히 서술되어 있다. 이 문헌에서는 지르칼로이-1(Sn:2.5%, Zr:balance), 지르칼로이-2(Sn:1.20-1.70%, Fe:0.07-0.20%, Cr:0.05-1.15%, Ni: 0.03-0.08%, O:900-1500ppm, Zr:잔부, 여기서 (Fe+Cr+Ni):0.16-1.70%), 지르칼로이-3A(Sn:2.5%, Fe:0.25%, Zr:잔부), 지르칼로이-3B(Sn:0.5%, Fe:0.4%, Zr:잔부), 지르칼로이-3C(Sn:0.5%, Fe:0.2%, Ni:0.2%, Zr:잔부), 지르칼로이-4(Sn:1.20-1.70%, Fe:0.18-0.24%, Cr:0.07-0.13%, O:900-1500ppm, Ni:< 0.007%, 여기서 (Fe+Cr):0.28- 0.24%) 등의 여러 가지 지르칼로이계 합금을 소개하고 있다. 그러나 지르칼로이-2와 지르칼로이-4를 제외한 합금은 기계적 강도와 노 내에서 부식특성이 나빠서 상용화되지 못하였으며, 지르칼로이-4가 가장 많이 사용되어 왔다.Zirconium alloys are widely used as nuclear fuel cladding and structural materials within the reactor core because of their low neutron absorption cross-sectional area and excellent corrosion resistance and mechanical properties. This is the most widely used. Zircaloy-based alloys are described in detail in ASTM STP-368 (p. 3-27, 1963). Zircaloy-1 (Sn: 2.5%, Zr: balance), Zircaloy-2 (Sn: 1.20-1.70%, Fe: 0.07-0.20%, Cr: 0.05-1.15%, Ni: 0.03-0.08% , O: 900-1500 ppm, Zr: residue, where (Fe + Cr + Ni): 0.16-1.70%), Zircaloy-3A (Sn: 2.5%, Fe: 0.25%, Zr: residue), Zircaloy-3B (Sn: 0.5%, Fe: 0.4%, Zr: remainder), Zircaloy-3C (Sn: 0.5%, Fe: 0.2%, Ni: 0.2%, Zr: remainder), Zircaloy-4 (Sn: 1.20- 1.70%, Fe: 0.18-0.24%, Cr: 0.07-0.13%, O: 900-1500 ppm, Ni: <0.007%, where (Fe + Cr): 0.28-0.24%) Introducing. However, alloys other than Zircaloy-2 and Zircaloy-4 could not be commercialized due to poor mechanical strength and corrosion characteristics in the furnace, and Zircaloy-4 has been used the most.
현재의 원자력 발전소의 가동조건은 기존의 지르칼로이-4 핵연료 피복관 재료로는 극복하기 어려운 상황으로 발전하고 있는 추세이다. 즉 발전소의 경제성 향상을 위한 연소도의 증가, 운전온도의 상승 및 발전소의 1차 계통의 방사능 준위를 감소시키기 위하여 고 pH 운전으로 가동조건이 변함에 따라서 지르칼로이계 합금은 핵연료 피복관용 재료로 더 이상 사용이 어려운 상황에 놓여 있다.Current operating conditions of nuclear power plants are developing into situations that are difficult to overcome with conventional Zircaloy-4 fuel cladding materials. Zircaloy-based alloys are used as fuel cladding materials as the operating conditions are changed by high pH operation to increase the combustion rate, increase the operating temperature, and reduce the radiation level of the plant's primary system. This situation is difficult to use.
이러한 상황에서 현재 많은 핵연료 관련 기관에서는 지르코늄 합금의 부식저항성과 강도(기계적 특성)를 향상시킬 수 있는 새로운 지로코늄 합금에 대하여 많은 연구를 수행하여왔으며, Zirlo(Zr-1Nb-1Sn-0.2Fe)및 M5(Zr-1Nb-O(<1200 ppm))등의 합금이 개발되어 신핵연료 피복관 소재로 사용되고 있다. 그러나 기존의 지르칼로이 합금 및 신합금 피복관 소재를 대체할 수 있는 우수한 기계적 특성과 부식저항성을 갖는 핵연료 피복관용 지르코늄 합금에 대한 필요성은 꾸준히 제기 되고 있다. Under these circumstances, many nuclear fuel-related organizations have been working on new zirconium alloys that can improve the corrosion resistance and strength (mechanical properties) of zirconium alloys. Zirlo (Zr-1Nb-1Sn-0.2Fe) and Alloys such as M5 (Zr-1Nb-O (<1200 ppm)) have been developed and used as a new fuel cladding material. However, there is a constant need for a zirconium alloy for nuclear fuel cladding having excellent mechanical properties and corrosion resistance that can replace existing zircaloy alloy and new alloy cladding materials.
이에 본 발명자들은 기존의 지르칼로이계 합금을 대체할 있는 보다 우수한 기계적 특성과 부식저항성을 지닌 새로운 지르코늄 합금을 개발하기 위하여 노력한 결과, 신규한 성분 조성 및 조성비를 지닌 지르코늄 합금을 개발하고, 새로운 지르코늄 합금이 우수한 기계적 특성과 부식저항성을 가짐을 확인함으로서 본 발명을 완성하였다.
Accordingly, the present inventors have made efforts to develop a new zirconium alloy having better mechanical properties and corrosion resistance that can replace the existing zircal alloy alloy, and as a result, develop a zirconium alloy having a novel composition and composition ratio, and a new zirconium alloy The present invention was completed by confirming the excellent mechanical properties and corrosion resistance.
본 발명의 목적은 종래의 지르칼로이계 합금을 대체할 수 있는 핵연료 피복관용 지르코늄 합금을 제공하는 데 있다. 즉, 본 발명은 종래에 비하여 핵연료 피복관에서 요구되는 기계적 특성 및 부식저항성의 조합이 향상된 핵연료 피복관용 지르코늄 합금을 제공하고자 하는 것이다.
It is an object of the present invention to provide a zirconium alloy for a nuclear fuel cladding which can replace a conventional zircaloy alloy. That is, the present invention is to provide a zirconium alloy for fuel cladding with improved combination of mechanical properties and corrosion resistance required in the fuel cladding as compared to the prior art.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 지르코늄 합금은, Zirconium alloy according to the present invention for achieving the above object,
니오븀(Nb) 0.2 내지 5 중량%; 및 티타늄(Ti) 0.1 내지 5 중량%와 알루미늄(Al) 0.1 내지 5 중량%로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나 이상의 성분을 포함하여 이루어진다.Niobium (Nb) 0.2 to 5 weight percent; And at least one component selected from the group consisting of 0.1 to 5 wt% of titanium (Ti) and 0.1 to 5 wt% of aluminum (Al).
상기 본 발명에 의한 지르코늄 합금의 일례를 들어보면, 니오븀(Nb) 0.2 내지 5 중량%; 티타늄(Ti) 0.1 내지 5 중량%와 알루미늄(Al) 0.1 내지 5 중량%로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나 이상의 성분; 및 잔부가 불가피한 불순물을 포함하는 지르코늄(Zr)으로 이루어질 수 있다.For example of the zirconium alloy according to the present invention, niobium (Nb) 0.2 to 5% by weight; At least one component selected from the group consisting of 0.1 to 5% by weight of titanium (Ti) and 0.1 to 5% by weight of aluminum (Al); And the balance may be made of zirconium (Zr) containing inevitable impurities.
본 발명에 의한 지르코늄 합금의 다른 예를 들어보면, 니오븀(Nb) 0.2 내지 5 중량%; 철(Fe) 0.001 내지 0.3 중량%와 주석(Sn) 0.001 내지 1 중량%로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나 이상의 성분; 티타늄(Ti) 0.1 내지 5 중량%와 알루미늄(Al) 0.1 내지 5 중량%로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나 이상의 성분; 및 잔부가 불가피한 불순물을 포함하는 지르코늄(Zr)으로 이루어질 수 있다.
Other examples of the zirconium alloy according to the present invention include: niobium (Nb) 0.2 to 5 wt%; At least one component selected from the group consisting of 0.001 to 0.3% by weight of iron (Fe) and 0.001 to 1% by weight of tin (Sn); At least one component selected from the group consisting of 0.1 to 5% by weight of titanium (Ti) and 0.1 to 5% by weight of aluminum (Al); And the balance may be made of zirconium (Zr) containing inevitable impurities.
상술한 바와 같은 본 발명에 의한 지르코늄 합금에 의할 경우, 합금을 이루는 적절한 성분의 선택과 각 성분의 첨가량의 조절에 의하여 종래의 지르칼로이계 합금 또는 Zr-Nb-O계 지르코늄 합금에 비해 인장강도 등의 기계적 특성을 향상시킬 수 있게 된다. 또한 종래의 지르칼로이계 합금 또는 Zr-Nb-Sn계 지르코늄 합금보다 인장강도 등의 기계적 특성의 감소 없이 부식저항성을 크게 향상시킬 수 있게 된다. 따라서 본 발명에 의한 지르코늄 합금은 원자력 발전소의 핵연료 피복관, 지지격자 및 구조물 재료 등에 유용하게 사용될 수 있으며, 기계적 특성 및 부식저항성의 향상에 의하여 원자력발전소의 안전성을 도모할 수 있음과 아울러, 핵연료 연소도의 향상 및 원전 운전주기를 늘릴 수 있게 된다.
In the case of the zirconium alloy according to the present invention as described above, the tensile strength of the zirconium alloy or the Zr-Nb-O-based zirconium alloy by the selection of an appropriate component constituting the alloy and control of the addition amount of each component It is possible to improve mechanical properties such as. In addition, it is possible to greatly improve the corrosion resistance without reducing mechanical properties such as tensile strength than conventional zircal alloy or Zr-Nb-Sn-based zirconium alloy. Therefore, the zirconium alloy according to the present invention can be usefully used in nuclear fuel cladding, support lattice and structural materials of nuclear power plants, and can improve the safety of nuclear power plants by improving mechanical properties and corrosion resistance, and also fuel combustion degree It will be possible to improve the operation and increase the operating cycle of nuclear power plants.
도 1은 본 발명의 실시예 및 비교예에 의한 인장강도 측정 결과이다.
도 2는 본 발명의 실시예 및 비교예에 의한 부식저항성 측정 결과이다.1 is a result of measuring the tensile strength according to the Examples and Comparative Examples of the present invention.
2 is a measurement result of corrosion resistance according to Examples and Comparative Examples of the present invention.
이하 본 발명을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명은 종래에 비하여 기계적 특성과 부식저항성이 향상된 지르코늄 합금을 제공하는데, 본 발명에 따른 지르코늄 합금은,The present invention provides a zirconium alloy with improved mechanical properties and corrosion resistance compared to the prior art, the zirconium alloy according to the present invention,
니오븀(Nb) 0.2 내지 5 중량%; 및 티타늄(Ti) 0.1 내지 5 중량%와 알루미늄(Al) 0.1 내지 5 중량%로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나 이상의 성분을 포함하여 이루어진다.Niobium (Nb) 0.2 to 5 weight percent; And at least one component selected from the group consisting of 0.1 to 5 wt% of titanium (Ti) and 0.1 to 5 wt% of aluminum (Al).
즉, 본 발명은 기계적 특성과 부식저항성을 모두 만족시키기 위하여 종래의 지르코늄 합금에서 사용하지 않던 티타늄(Ti)과 알루미늄(Al)을 사용하는 것을 주요 특징의 하나로 한다.That is, the present invention is to use titanium (Ti) and aluminum (Al), which was not used in the conventional zirconium alloy, in order to satisfy both mechanical properties and corrosion resistance as one of the main features.
상기 본 발명에 의한 지르코늄 합금의 일례를 들어보면, 니오븀(Nb) 0.2 내지 5 중량%; 티타늄(Ti) 0.1 내지 5 중량%와 알루미늄(Al) 0.1 내지 5 중량%로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나 이상의 성분; 및 잔부가 불가피한 불순물을 포함하는 지르코늄(Zr)으로 이루어질 수 있다. 또한 상기 조성에 산소(O)와 같은 미량원소를 추가로 포함할 수 있다.For example of the zirconium alloy according to the present invention, niobium (Nb) 0.2 to 5% by weight; At least one component selected from the group consisting of 0.1 to 5% by weight of titanium (Ti) and 0.1 to 5% by weight of aluminum (Al); And the balance may be made of zirconium (Zr) containing inevitable impurities. In addition, the composition may further include a trace element such as oxygen (O).
본 발명의 다른 예에 의한 지르코늄 합금은, 니오븀(Nb) 0.2 내지 5 중량%; 철(Fe) 0.001 내지 0.3 중량%와 주석(Sn) 0.001 내지 1 중량%로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나 이상의 성분; 티타늄(Ti) 0.1 내지 5 중량%와 알루미늄(Al) 0.1 내지 5 중량%로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나 이상의 성분; 및 잔부가 불가피한 불순물을 포함하는 지르코늄(Zr)으로 이루어질 수 있다. 마찬가지로 상기 조성에 산소(O)와 같은 미량원소를 추가로 포함할 수 있다.
Zirconium alloy according to another embodiment of the present invention, niobium (Nb) 0.2 to 5% by weight; At least one component selected from the group consisting of 0.001 to 0.3% by weight of iron (Fe) and 0.001 to 1% by weight of tin (Sn); At least one component selected from the group consisting of 0.1 to 5% by weight of titanium (Ti) and 0.1 to 5% by weight of aluminum (Al); And the balance may be made of zirconium (Zr) containing inevitable impurities. Likewise, the composition may further include a trace element such as oxygen (O).
본 발명의 발명자들은 본 발명의 완성과정에서 지르코늄 합금의 구성 원소를 선정하기 위해, 중성자 효과, 제조단가, 가공성, 모상인 지르코늄과의 합금성을 먼저 고려하였다. 또한 공개된 문헌의 조사 및 반복된 실험을 통하여 각각의 첨가 원소가 기계적 특성, 부식저항성 등에 어떠한 영향을 미치는지와 첨가되는 각각의 원소가 다른 원소의 성질에 어떠한 영향을 미치는지도 면밀하게 검토하였다. 이러한 검토 결과를 토대로 하여, 일차적으로 본 발명의 지르코늄 합금의 첨가 원소가 결정되었고, 다음으로 각 첨가 원소의 첨가량(조성비)을 결정하였다. 이러한 과정을 통하여 종래에 비하여 기계적 특성 및 부식저항성이 향상된 지르코늄 합금을 얻을 수 있었다.The inventors of the present invention, in order to select the constituent elements of the zirconium alloy in the completion of the present invention, the neutron effect, manufacturing cost, processability, alloying with the zirconium which is the parent phase first. In addition, through the examination of the published literature and repeated experiments, the effects of each added element on the mechanical properties, corrosion resistance, etc. and the effect of each added element on the properties of other elements were examined closely. Based on these examination results, the addition element of the zirconium alloy of this invention was determined primarily, and the addition amount (composition ratio) of each addition element was next determined. Through this process, a zirconium alloy with improved mechanical properties and corrosion resistance was obtained.
특히 본 발명에서는 니오븀(Nb)과 더불어 기존 지르코늄 합금에서는 첨가되지 않던 티타늄(Ti), 알루미늄(Al)과 같은 원소를 미량 첨가하여 기계적 특성 및 부식저항성을 향상시킬 수 있었다.
In particular, the present invention was able to improve mechanical properties and corrosion resistance by adding a small amount of elements such as titanium (Ti) and aluminum (Al), which were not added in the existing zirconium alloy, together with niobium (Nb).
본 발명의 지르코늄 합금 조성물에 사용된 각 원소의 특징 및 조성비의 한정이유를 설명하면 다음과 같다. When explaining the characteristics and the ratio of the composition ratio of each element used in the zirconium alloy composition of the present invention.
니오븀(Nb)은 지르코늄 합금에서 지르코늄(Zr)의 β상 안정화 원소로 알려져 있다. 또한 니오븀은 합금의 수소 흡수성과 강도를 향상시키는 것으로 알려져 있다. 본 발명의 지르코늄 합금에 있어서, 상기 니오븀은 0.2 내지 5 중량%가 사용되는데, 니오븀의 함량이 상기 하한치 미만일 경우에는 강도 등의 기계적 특성이 저하될 우려가 있고, 니오븀의 함량이 상한치를 초과하는 경우에는 특성의 균질성 및 부식저항성이 저하될 우려가 있어 바람직하지 않다. Niobium (Nb) is known as the β phase stabilizing element of zirconium (Zr) in zirconium alloys. Niobium is also known to improve the hydrogen absorption and strength of alloys. In the zirconium alloy of the present invention, the niobium is used in an amount of 0.2 to 5% by weight. When the content of niobium is less than the lower limit, there is a possibility that mechanical properties such as strength may be lowered, and the content of niobium exceeds the upper limit. It is not preferable because the homogeneity and corrosion resistance of the properties may be lowered.
티타늄(Ti)은 본 발명에 따른 지르코늄 합금에 고용체 형태로 첨가되어 고용강화에 의한 강도, 크립와 같은 기계적 특성의 보강과 더불어 부식저항성을 향상시키는 역할을 담당한다. 본 발명에서 티타늄은 0.1 내지 5 중량%가 사용되는데, 티타늄의 함량이 상기 하한치 미만일 경우에는 본 발명이 목적하는 효과, 즉 기계적 특성의 보강과 부식저항성을 향상시키고자 하는 효과가 미미할 우려가 있어 바람직하지 않고, 티타늄의 함량이 상기 상한치를 초과할 경우에는 강도가 높아 가공성이 저하되며, 중성자흡수단면적이 증가하여 원자력재료로서의 사용이 바람직하지 않다.Titanium (Ti) is added to the zirconium alloy according to the present invention in the form of a solid solution and plays a role of improving corrosion resistance along with reinforcement of mechanical properties such as strength and creep by solid solution strengthening. In the present invention, 0.1 to 5% by weight of titanium is used, but when the content of titanium is less than the lower limit, there is a possibility that the desired effect of the present invention, that is, the effect of enhancing the mechanical properties and improving the corrosion resistance may be insignificant. Otherwise, when the content of titanium exceeds the upper limit, the workability is high due to the high strength, and the area of neutron absorbing means is increased, so that the use as a nuclear material is not preferable.
알루미늄(Al) 은 본 발명에 따른 지르코늄 합금에 첨가되어 고용강화 및 석출경화에 의한 강도 증진과 같은 기계적 특성의 보강과 더불어 부식저항성을 향상시키는 역할을 담당한다. 본 발명에서 알루미늄은 0.1 내지 5 중량%가 사용되는데, 알루미늄의 함량이 상기 하한치 미만일 경우에는 본 발명이 목적하는 효과, 즉 기계적 특성의 보강과 부식저항성을 향상시키고자 하는 효과가 미미할 우려가 있어 바람직하지 않고, 알루미늄의 함량이 상기 상한치를 초과할 경우에는 강도가 커져 가공성이 저하되며, 산화막 특성이 변화할 수 있고, 중성자흡수단면적이 증가하여 원자력재료로서의 사용이 바람직하지 않다.Aluminum (Al) is added to the zirconium alloy according to the present invention plays a role of improving the corrosion resistance along with the reinforcement of mechanical properties such as enhanced strength by solid solution strengthening and precipitation hardening. In the present invention, aluminum is used in an amount of 0.1 to 5% by weight. If the aluminum content is less than the lower limit, there is a possibility that the desired effect of the present invention, that is, the effect of enhancing the mechanical properties and improving the corrosion resistance, may be insignificant. Otherwise, when the aluminum content exceeds the upper limit, the strength is increased, the workability is lowered, the oxide film properties may be changed, and the area of neutron absorbing means is increased, and thus it is not preferable to be used as a nuclear material.
주석(Sn)은 지르코늄 합금에서 지르코늄(Zr)의 α상 안정화 원소로 알려져 있으며, 지르코늄 합금에서 강도를 증가시키는 작용을 한다. 반면 부식저항성을 고려할 때에는 주석의 함량을 줄이는 것이 바람직하다고 알려져 있다. 본 발명의 일례에서는 합금에 주석을 포함시키지 않았으며, 본 발명의 다른 예에서도 부식저항성을 고려하여 주석을 0.001 내지 1 중량%가 함유되도록 하여 기존에 알려진 지르코늄 합금에 비하여 주석의 사용량을 적게 조절하였다. 주석을 사용하지 않거나 미량을 사용하는 대신 강도를 향상시키기 위해서 니오븀(Nb)의 함량을 조절하고, 여기에 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 철(Fe)과 같은 원소를 사용하였다. 주석의 함량이 상기 하한치 미만일 경우에는 강도 보강 효과가 미미할 우려가 있어 바람직하지 않으며, 주석의 함량이 상기 상한치를 초과할 경우에는 부식저항성이 급격히 저하될 우려가 있어 바람직하지 않다.Tin (Sn) is known as the α phase stabilizing element of zirconium (Zr) in the zirconium alloy, and serves to increase the strength in the zirconium alloy. On the other hand, when considering corrosion resistance, it is known to reduce the content of tin. In one example of the present invention, tin was not included in the alloy, and in another example of the present invention, tin was contained in an amount of 0.001 to 1% by weight in consideration of corrosion resistance, thereby controlling the amount of tin less than that of a conventionally known zirconium alloy. . Instead of using tin or using a trace amount, the content of niobium (Nb) was adjusted to improve strength, and elements such as titanium (Ti), aluminum (Al), and iron (Fe) were used. When the content of tin is less than the lower limit, the strength reinforcing effect may be insignificant, which is not preferable. When the content of tin exceeds the upper limit, corrosion resistance may be sharply lowered, which is not preferable.
철(Fe)은 지르코늄 합금에서 지르코늄과 함께 금속간 화합물을 형성하여 석출 또는 분산강화를 일으키고, 지르코늄의 자체확산을 가속화시켜 조사성장을 억제하는 효과를 가지고 있다. 본 발명에서 철은 합금원소에 포함되지 않거나 0.001 내지 0.3 중량%가 사용되는데, 철의 함량이 상기 하한치 미만일 경우에는 상술한 철에 의한 효과가 저하될 우려가 있고, 철의 함량이 상기 상한치를 초과하는 경우에는 강도가 커져 가공성이 저하되는 경향이 있어 바람직하지 않다.
Iron (Fe) forms an intermetallic compound together with zirconium in the zirconium alloy to cause precipitation or dispersion strengthening, and has the effect of inhibiting irradiation growth by accelerating the self-diffusion of zirconium. In the present invention, iron is not included in the alloying elements or 0.001 to 0.3% by weight is used, when the iron content is less than the lower limit there is a fear that the effect of the above-described iron is lowered, the iron content exceeds the upper limit When it does, it is unpreferable since intensity | strength becomes large and workability tends to fall.
이하 실시예 및 시험예에 의하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Test Examples.
실시예 : 지르코늄 합금의 제조Example: Preparation of Zirconium Alloy
하기 표 1에 기재된 것과 같은 다양한 조성비를 갖는 지르코늄 합금을 제조하였다. 지르코늄 합금의 제조는 다음과 같은 과정에 의하였다.
Zirconium alloys having various composition ratios as described in Table 1 were prepared. Preparation of the zirconium alloy was based on the following process.
(1) 잉곳(Ingot)의 제조(1) Preparation of Ingot
진공아크용해 장비를 이용하여 약 300g의 잉곳을 제조하였다. 분술물이 편석되거나 합금의 조성이 불균일하게 분포하는 것을 방지하기 위하여 5회의 반복용해를 실시하였다.
About 300 g of an ingot was manufactured using a vacuum arc melting apparatus. Five repeated dissolutions were performed to prevent sedimentation and segregation of alloy composition.
(2) β상 용체화 열처리 후 냉각(2) cooling after β phase solution heat treatment
β상 영역에서 용체화 처리하여 잉곳 내의 합금 조성을 균질화하기 위하여 열처리를 수행하였다. 산화방지를 위하여 2mm의 스테인레스 판으로 시편을 피복하고, 1,020℃에서 30분간 유지한 다음, 수조에 담가 수냉시켰다. 다음으로 수분을 제거하기 위하여 120℃에서 10시간 동안 충분히 건조시켰다.
Heat treatment was performed to homogenize the alloy composition in the ingot by solution treatment in the β phase region. In order to prevent oxidation, the specimen was coated with a 2 mm stainless plate, held at 1,020 ° C. for 30 minutes, and then immersed in a water bath and cooled. Next, it was sufficiently dried at 120 ° C. for 10 hours to remove moisture.
(3) 열간압연(3) hot rolling
580℃에서 30분간 가열 후 열간압연을 하였다. 열간압연은 1 패스에 약 70%의 압하율로 실시하였으며, 열간압연 완료 후 산 용액을 이용하여 세척하였다.
After heating at 580 ° C. for 30 minutes, hot rolling was performed. Hot rolling was carried out at a reduction ratio of about 70% in one pass, and was washed with an acid solution after the completion of hot rolling.
(4) 냉간압연 및 열처리(4) cold rolling and heat treatment
열간압연이 완료된 후, 580℃에서 3시간 동안 소둔한 다음 냉간압연을 수행하여 두께를 감소시켰다. After the hot rolling was completed, annealing was performed at 580 ° C. for 3 hours, and then cold rolling was performed to reduce the thickness.
다음으로 570℃에서 2시간간 열처리를 한 다음 2차 냉간압연을 수행하였다. Next, heat treatment was performed at 570 ° C. for 2 hours, followed by secondary cold rolling.
최종적으로 570℃에서 3시간 열처리를 하여 지르코늄 합금 시편을 완성하였다.
Finally, a zirconium alloy specimen was completed by heat treatment at 570 ° C. for 3 hours.
비교예Comparative Example
현재 상용화 되어 사용되고 있는 Zr-Nb-Sn-Fe 합금을 비교예로 선정하였다. 비교예에 의한 지르코늄 합금의 성분비는 하기의 표 1에 기재하였다.
The Zr-Nb-Sn-Fe alloy currently being used commercially was selected as a comparative example. The component ratio of the zirconium alloy by the comparative example is described in following Table 1.
[표 1] 지르코늄 합금의 성분비[Table 1] Composition ratio of zirconium alloy
인장강도The tensile strength
상기 실시예 및 비교예에 의한 지르코늄 합금의 시편에 대한 인장강도를 측정하였고 그 결과를 하기의 표 2 및 도 1에 나타내었다. 인장강도의 측정은 ASTM E8에 기재된 방법에 의하였으며, 25℃와 300℃에서 인장속도 10-4/sec로 하여 측정하였다.
Tensile strength of the zirconium alloy specimens according to the Examples and Comparative Examples was measured and the results are shown in Table 2 and FIG. 1. The tensile strength was measured by the method described in ASTM E8, and measured at a tensile rate of 10 −4 / sec at 25 ° C. and 300 ° C.
[표 2] 인장강도 측정결과[Table 2] Tensile strength measurement results
상기 표 2 및 도 1의 결과에서 확인할 수 있듯이 본 발명의 실시예의 경우 25℃ 및 300℃에서 모두 비교예 보다 우수한 인장강도 값을 가짐을 확인할 수 있었다.
As can be seen from the results of Table 2 and FIG. 1, it was confirmed that the Examples of the present invention had superior tensile strength values at both 25 ° C. and 300 ° C. than the Comparative Example.
부식저항성Corrosion resistance
상기 실시예 및 비교예에 의한 지르코늄 합금의 시편에 대한 부식저항성을 측정하였고 그 결과를 하기의 표 3 및 도 2에 나타내었다. Corrosion resistance of the specimens of the zirconium alloys according to the Examples and Comparative Examples was measured and the results are shown in Table 3 and FIG. 2.
부식저항성은 하기와 같은 방법으로 측정하였다. Corrosion resistance was measured by the following method.
즉, 상기 실시예 및 비교예에 의한 지르코늄 합금의 시편을 300℃의 산화 분위기에서 100시간과 200시간 동안 부식시킨 후, "ASTM G2, Standard test method for corrosion tubes" 기준에 따라 부식 시험편을 Ultra sonic을 이용하여 표면의 이물질을 제거한 후 초정밀 미세저울로 시편의 무게 증가를 측정함으로서 부식 정도를 정량적으로 평가하였다.
That is, after the specimens of the zirconium alloy according to the above Examples and Comparative Examples were corroded for 100 hours and 200 hours in an oxidizing atmosphere of 300 ℃, the corrosion test specimens according to the "ASTM G2, Standard test method for corrosion tubes" standards Ultra sonic The degree of corrosion was quantitatively evaluated by removing the foreign matter from the surface by measuring the weight increase of the specimen with ultra-precision microbalance.
[표 3] 무게증가량 측정결과[Table 3] Result of weight increase
상기 표 3 및 도 2의 결과에서 확인할 수 있듯이 본 발명의 실시예의 경우, 100시간 경과 후와 200시간 경과 후 모두 비교예에 비하여 무게증가가 적게 이루어지는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 본 발명의 실시예에 의한 합금은 종래의 합금(비교예)에 비하여 우수한 부식저항성을 가짐을 확인할 수 있었다.
As can be seen from the results of Table 3 and Figure 2, in the case of the embodiment of the present invention, both after 100 hours and after 200 hours it was confirmed that the weight increase is less than the comparative example. That is, the alloy according to the embodiment of the present invention was confirmed to have excellent corrosion resistance compared to the conventional alloy (comparative example).
본 발명은 상기한 실시예와 첨부한 도면을 참조하여 설명되었지만, 본 발명의 개념 및 범위 내에서 상이한 실시예를 구성할 수도 있다. 따라서 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위 및 이와 균등한 것들에 의해 정해지며, 본 명세서에 기재된 특정 실시예에 의해 한정되지는 않는다.Although the present invention has been described with reference to the above-described embodiments and the accompanying drawings, other embodiments may be configured within the spirit and scope of the present invention. Therefore, the scope of the present invention is defined by the appended claims and equivalents thereof, and is not limited by the specific embodiments described herein.
Claims (3)
니오븀(Nb) 0.2 내지 5 중량%; 및 티타늄(Ti) 0.1 내지 5 중량%와 알루미늄(Al) 0.1 내지 5 중량%로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나 이상의 성분을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 지르코늄 합금.
In a zirconium alloy for nuclear fuel cladding,
Niobium (Nb) 0.2 to 5 weight percent; And at least one component selected from the group consisting of 0.1 to 5% by weight of titanium (Ti) and 0.1 to 5% by weight of aluminum (Al).
니오븀(Nb) 0.2 내지 5 중량%; 티타늄(Ti) 0.1 내지 5 중량%와 알루미늄(Al) 0.1 내지 5 중량%로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나 이상의 성분; 및 잔부가 불가피한 불순물을 포함하는 지르코늄(Zr)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 지르코늄 합금.
In a zirconium alloy for nuclear fuel cladding,
Niobium (Nb) 0.2 to 5 weight percent; At least one component selected from the group consisting of 0.1 to 5% by weight of titanium (Ti) and 0.1 to 5% by weight of aluminum (Al); And zirconium alloy, characterized in that the balance consists of zirconium (Zr) containing inevitable impurities.
니오븀(Nb) 0.2 내지 5 중량%; 철(Fe) 0.001 내지 0.3 중량%와 주석(Sn) 0.001 내지 1 중량%로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나 이상의 성분; 티타늄(Ti) 0.1 내지 5 중량%와 알루미늄(Al) 0.1 내지 5 중량%로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나 이상의 성분; 및 잔부가 불가피한 불순물을 포함하는 지르코늄(Zr)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 지르코늄 합금.In a zirconium alloy for nuclear fuel cladding,
Niobium (Nb) 0.2 to 5 weight percent; At least one component selected from the group consisting of 0.001 to 0.3% by weight of iron (Fe) and 0.001 to 1% by weight of tin (Sn); At least one component selected from the group consisting of 0.1 to 5% by weight of titanium (Ti) and 0.1 to 5% by weight of aluminum (Al); And zirconium alloy, characterized in that the balance consists of zirconium (Zr) containing inevitable impurities.
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CN105568056A (en) * | 2016-01-06 | 2016-05-11 | 中国核动力研究设计院 | Zirconium alloy for pressurized water reactor fuel element cladding |
CN114107735A (en) * | 2021-12-10 | 2022-03-01 | 西北工业大学 | Corrosion-resistant zirconium alloy and preparation method thereof |
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