SE454361B - Kernreaktordelar av en nickellegering och forfarande for vermebehandling av dessa - Google Patents

Description

IS 20 30 35 40 454 361 2 i den tidigare behandlingen och att behov av förbättring föreligger och det är uppfinningens uppgift att ange en lämplig behandling.

Vidare är nickelbaserade legeringar som vid sin användning ut- sättes för rent vatten med hög temperatur och högt tryck i en lätt- vattenkärnreaktor kända från USSN733520 (31 maj 1967) och USP 3,574,604. Emellertid är den förstnämnda legeringen icke att före- dra, eftersom dess krominnehåll är så högt att austenitstrukturen är instabil och den är benägen till utfällningar, vilket är till nackdel för motständsköaften mot påkänningskorrosíons-sprickor vid hög temperatur. Vad det gäller den senare legering resulterar det faktum att níobinnehàllet är extremt mycket högre än titaninnehål- let i att tillväxten för utfällningsfasen sannolikt kommer att in- träffa när den användes vid hög temperatur som degraderar motstånds- förmàgan mot pàkänningskorrosions-sprickor.

Det är följaktligen uppfinningens uppgift att möjliggöra fram- ställandet av kärndelar för kärnreaktorer tillverkade av en nickel- legeríng känd för god motståndsförmàga mot spänninggkorrosion 'och ett förfarande för värmebehandling av detta.

Kärndelarna i enlighet med uppfinningen tillverkas av en legering som väsentligen i viktsprocent har sammansättningen 0,01-0,2% kol, 10-21% krom, 1-4% titan, 0,3-2% níob, 0,1-2%_a1u- minium och den resterande delen av nickel, där titaninnehållet är större än niobinnehâllet, varvid legeringen har en struktur med kromkarbíd utfällt i korngränserna och en-y”-fas utfälld i kornenxued en mikrostruktur motsvarande austenit. Karaktäristiken i mikrostrukturen för ämnet för ifrågavarande delar är att i när- heten av kgmgränserna finns ingen zon i vilken-rHfasen ej är utfälld.

Den ovanstående legeringen är av typen utskiljningshärdande och titan och niob är väsentliga för utskiljningshärdningen och för att erhålla reaktorkärndelar med hög hàllfasthet och utmattnings- hållfasthet i kombination vid hög temperatur är titaninnehåll över en viktsprocent och ett niobínnehåll som är högre än 0,3 viktspro- cent erforderligt och om dessa procentsatser ej uppfylles och om dessa element ej tillföres i kombination är det omöjligt att klara den 0,2%-iga testpäkänningen pà 70 kg/mmz vid rumstemperatur.

Om titaninnehållet och níobinnehållet överskrider 4 vikts- procent resp 2 viktsprocent reduceras segheten väsentligt liksom att också påkänningskorrosions motståndsförmågan minskas. För att er- hålla stabilitet för utskiljningsfasen vid hög temperatur, stor seg- 10 15 20 25 30 35 40 3 454 361 het och hög motståndskraft mot påkänningskorrossionssprickor är det nödvändigt att titaninnehållet är högre än níobinnehâllet.

Krominnehållet bör åtminstone vara 10 viktsprocent i legeringen för att göra det möjligt för kärnreaktordelarna att vara tillräck- ligt motständskraftiga mot pàkänningskorrosí0flS-sprickor. Om krom- innehållet emellertid är över 25 viktsprocent skulle legeringen emellertid få reducerad varmsmidbarhet och dess mekaniska egen- skaper och 'korrosionsmotståndet skulle reduceras till följd av ut- vecklandet av skadliga faser, sâsom exempelvis 6-fas, y-fas och Laves fas, vilka är kända som TCP-faser.

Kolinnehâllet över 0,01 viktsprocent är nödvändigt för att stärka strukturen, men à andra sidan blir om kolinnehàllet över- skrider 0,2viktsprocent legeringen skör och påkänningskorrosíons sprickmotstândsförmàgan reducerad och kolinnehållet bör således vara mindre än 0,2 viktsprocent. Ett kolinnehàll på 0,02 - 0,08 viktsprocent är speciellt lämpligt.

Aluminiumínnehållet på mer än 0,1 viktsprocent är nödvändigt för att avsevärt stärka legeringen genom bildandet av en )fÜ-- fas med samexistens med titan, men om å andra sidan aluminiuminne- hållet är över 2 viktsprocent bildas gammaprimfasen i allt för stor utsträckning, vilket reducerar segheten och således bör aluminium- innehållet icke överskrida 2 viktsprocent. Ett aluniniumínnehåll på 0,3 - 1 viktsprocent är speciellt lämpligt.

Det är lämpligt att järn inhâlles í legeringen, eftersom om titan, niob, aluminium, kisel, mangan etc. tillsättes i form av sina järnlegeringar när legeringen med den avsedda sammansättningen smältes, eftersom härigenom utbytet av dessa element blir högt. Emellertid är ett järninnehâll pà mer än 10 viktsprocent ej att föredra, eftersom det har en tendens att reducera legeringens hállfasthet. Ett järninnehåll 5-8 viktsprocent är särskilt fördel- aktigt.

Uppfinningen avser ett förfarande för värmebehandlíng av kärnf reaktordelar, som utmärkes av att ett material tillverkat av en legering bestående väsentligen av i viktsprocent 0,01- 0,2% kol, 10-21% krom, 1-4% titan, 0,3-2% nibb, 0,1-2% aluminium och den resterande delen av nickel och underkastad termoplastisk bearbetning eller ett material tillverkat av samma legering och ut- satt för en upplösningsvärmebehandling efter termoplastisk bearbet- ning för àldringsbehandling i ett temperaturområde i vilket en r'-fas utskiljes i kornen och kromkarbider utskiljes i korn- 454 361 4 gränserna. Upplösningsvärmebehandlingen är en förbehandling för att åstadkomma en enda fas i legeringen för att möjliggöra för de önskade utskiljningarna att bildas under den efterföljande àldrings- behandlingen. Det är således önskvärt att fullständigt lösa de kristallina partiklarna och utskiljningar bildade under gjutning eller smidníng i strukturen och för fullständig lösning krävs extremt höga temperaturer. Emellertid är det icke önskvärt att utsätta lege- ringen för upplösningsvärmebehandling vid alltför höga temperaturer, 10 15 20. 25 30 35 40 eftersom sådana höga temperaturer resulterar i korntillväxt och som ett resultat reducerar hållfastheten och segheten och dessutom reducerar motståndet mot spänningskorrosíonssprickor för legeringen.

Inte heller är det önskvärt att utsätta legeringen för upplösnings- värmebehandlíng vid alltför låga temperaturer, eftersom den erfor- derliga upplösningen ej kan erhållas. Till följd härav ligger det föredragna temperaturområdet mellan 1000-1.250°C och i synnerhet melian 1020 och 11so°c. Åldringsbehandlingen utföres vid en sådan temperatur att > én 7f'fifas är likformigt utfiüld i strukturen utan att genom hela strukturen bilda ett område i vilket det icke finns några ut- fällningar i syfte att den intermetalliska sammansättningen bestå- ende väsentligen av nickel och titan förhindras från att utfällas i k0rngräBerna i en kontinuerlig kedjeform. 7-'-fasen sammansättes i stort sett av en Ni3 (Al, Ti, Nb) intermetallisk sammansättning.

Kromkarbiderna utgöres väsentligen av Cr23C6. Legeríngar av detta slag har hitintills utsatts för värmebehandlingar vid en relativt hög temperatur (ca 860°C) för att öka kryphàllfastheten och sedan för åldringsbehandling vid en lägre temperatur för att öka håll- fastheten genom att få en 7"-fas att utskiljas. Det har emellertid visat sig att en sådan behandling ger en reduktion i motståndsför- mågan mot spänningskorrosionssprickbildning för legeringen till följd av att en speciell metallisk struktur bildas såsom vid ut- skíljníng av en intermetallisk sammansättning i kongränserna.

Vidare har det visat sig att när legeringen utsättes för åldf ringsbehandling för att åstadkomma.7">fas direkt utskiljdzëfter smidning eller upplösningsvärmebehandling istället för att hnder- kasta den värmebehandling vid en relativt hög temperatur såsom tidi- gare har gjorts är det möjligt att avsevärt öka motståndsförmågan mot spänningskorrosion och i synnerhet den som innefattar sprickor.

Denna upptäckt utgör grunden för uppfinningen. Den temperatur vid vilken åldringsbehandlingen utföres är lämpligtvis i området mellan 650 och 750°C. När temperaturen är under 6S0°C skulle Jr 10 15 20 25 30 35 40 _S s 454 361 âldringsbehandlingen ta alltför lång tid. I motsats härtill skul- le när temperaturen befinner sig över 750° C alltför långt gående åldriflgxnjuka upp legeringen och resultera i dålig hâllfasthet och likaså skulle SPänningskorrosionsbeständigheten reduceras för legeringen eftersom dess struktur skulle bli samma som den som erhålles genom värmebehandling som utföres vid en relativt hög temperatur såsom beskrives ovan. Således är temperaturer över 750°C respektive under 650°C ej lämpliga.

Det har visat sig att när austenítiskt rostfritt stål eller en legering i "Inconel 600" serien utsättes för åldring i tempe- raturintervallet mellan 550-800°C bildas kromkarbider och marke- rade Spänningskorrosionssprickor uppträder. I enlighet med upp- finningen har det emellertid visat sig att i motsats till vad man hitintills trott har àldringsbehandling av nickelbaserade lege- ringar vid en temperatur mellan 650-7S0°C till resultat att man undviker bildandet av spänningskorrosíonssprickor i legeringen.

Uppfinningen skall nedan beskrivas närmare i form av utförings- exempel i anslutning till ritningarna. Härvid är fig_l ett schema- tiskt vertikalt snitt genom en kärna för en kokarreaktor i vilken kärnreaktordelarna i enlighet med uppfinningen normalt finner sin användning, fig 2 ett vertikalt snitt i förstoring av ett bränsleelement visat vid cirkeln II i fig 1, fig 3 ett tvärsnitt i förstoring av en styrstavsmanövermekanism, i fig 1 visat inom cirkeln III, fig 4 en perspektivvy i förstoring av en jet-pump visad vid cirkeln IV i fig 1, fig 5 ett vertikalt snitt genom en anordning som utnyttjas för att utföra korrosionsspricktestningar, fig 6 ett mikroskopfotografi visande mikrostrukturen för en nickel- baserad legering som underkastats värmebehandling i enlighet med en känd process.och fig 7 ett mikroskopfotografi visande mikro- strukturen för samma legering som visats i fig 6 men som under- kastats värmebehandling i enlighet med uppfinningsförfarandet.

Tabell 1 nedan visar den kemiska sammansättningen (i vikts- procent) för "Inconel X750" som är en legering som är kommersiellt tillgänglig. Denna legering underkastades värmebehandling av olika slag och den behandlade legeringen testades med den i fig 5 visade utrustningen för undersökande av spänníngskorrosionsspríckmotstàn- det genom nedsänkandet av legeringen i rent vatten med hög tempe- ratur (288°C) och högt tryck innehållande 26 ppm syre under S00 timmaru 454 361 Tabell 1 C _Mn P .S Ni Cr Nb Ti Al Fe 0.04 016 0.19 0.008 0.004 72.7 15.5 0.95 2.64 0.52 6.9 I fig 5 är fasthållande jiggar 12 tillverkade av rostfritt stål förbundna tillsammans medelst bultar 11 under det att ett arbetsstycke 14 som skall testas hàlles mellan jíggarna 12 genom ett grafítelement 13 sà_att en böjande påkänníng Påföfes arbets' stycket 14.

Tabell 2 visar förhållandet mellan upplösníngsvärmebehandlíngs- temperatur, mellanvärmebehandlíngstemperatur och àldringsbehandlíngs- temperatur och djupet för spríckspkänníngskorrosíon som accelererar spríckbildning vid spänningskorrosion. ' Tabell 2 Arbets- Upplösníngs- Mellanvärme- I Åldríngs- Test- stycke behandlíngs-O' behandlíngs- behandlings-O resultat nr. temperatur ( C) temperatur ( C) temperatur ( C) - 1 840 700 Q z ess 700 Q 3 982 650 Û 4 Saknas 700 . s 7s0 Q 0 1000 840 0 700 Û 7 saknas 700 (j s 040 700 Q 9 ass 700 Q 10 1020 650 O, 11 Saknas 700 C) 12 750 O 7 454 361 tabell 2 fortsätter Arbets- ; Upplösníngs- fiMellanvärme- Aldríngs- Test- stycke g behandlíngs- behandlíngs- behandlings- resultat nr. ' temperatur( C) temperatur( C) temperatur( C) 13; § 050 Q 14 § 040 700 Q 15 7s0 Q 16 650 Q 17 , _ ass 700 Q 1050 10 750 Q 19 050 O 20 saknas 700 O 21 750 O zz 040 700 Q 1100 _. 23 saknas 700 O 24 . . 040 700 Q 1150 zs saknas 700 O zø 040 700 Q . 12007 a.n_" 27 saknas 700 (I zs 840 700 Q 1250 29 Saknas 700 (I Varnxsïdníng, 30 därefteriingen 840 , 700 ' upplösmvärme- 31 behandling . saknas 700 CI Varmvalsníng, 32 därefter ingen 840 700 ø upplösnarännebeš- . 033 hm¶flingM.a. ."$akn3§...a_a-_ 7700. Q, Djup för påzkänningskorrosionsspríckor (um) Û :K S0 50-100 O => .1-00 10 15 20 25 30 35 40 454 561 8 . ..v-.,.-...._ Upplösningsvärmebehandlingen som visas i tabell 2 bestod i varmhâllning under 1 timme när den utfördes under 1100°C och p under 15 minuter när den utfördes över 1150°C och kylning medelst Å vatten från respektive temperaturer. Varmhållningsfißen i mellan- värmebehandlingen vid 840°C och 885°C var 24 timmar ochzmarmhâll- ningstiden vid åldringsbehandlingen 650-750°C var 20 timmar.

Såsom klart framgår av tabell 2 utvecklar legeringsarbets- stycken underkastade mellanvärmebehandling följande efter upp- lösníngsvärmebehandling spänningskorrosionssprickbildning med ett djup på över 100,um, indikerande att spänníngskorrosíonssprick- motståndet är dåligt. Aven när upplösningsvärmebehandlingen ut- fördes vid 982°C hade de utvecklade sprickorna genom spännings- korrosíon ett djup på över 100 ;¿m delvis p g a otillräcklig upp- lösning, indikerande att arbetsstyckenas motståndskraft mot spänningskorrosion var dålig. Det bör också observeras att när .__-_- ........».....--..._ temperaturen för upp1ösningsvärmebehandlingen var över 1200°C visar arbetsstyckena ett måttligt motstånd mot spänningskorrosions- sprickbildníng, förmodligen beroende på att kristallkornen blir större. Dethar emellertid visat sig att när upplösningsvärmebehand- * lingen utfördes tillräckligt och áldringsbehandlingen utfördes P utan mellanliggande värmebehandling utvecklade spänningskorrosío- nen sprickor med ett djup på mindre än 50,um indikerande att ar- betsstyckena har mycket god motståndskraft mot spänningskorrosion. 1 Det har visat sig att när legeringen behandlades med förfa- I randet i enlighet med uppfinningen utvecklades till följd av spän- ningskorrosion sprickor med ett djup mellan 50 och 100 /I-m även om legeringen direkt underkastades åldringsbehandlingen efter varmsmidning eller varmvalsning, vilket tyder på att arbetsstyckena har ett förbättrat motstånd mot sprickbildning till följd av spänningskorrosion. Arbetsstyckena av legeringen som underkastades upplösningsvärmebehandling vid 1066°C under en timma och för åld- ringsbehandling vid 704°C under fyra timmar hade följande mekanis- ka egenskaper: Draghållfasthet vid rumstemperatur 118 kg/mmz, 0,2% vid säkerhetspåkänning 74 kg/mmz, förlängning vid brott 32%, och ytreduktion vid brott 27%.

Pig 6 är ett mikroskopfotografi visande mikrostrukturen i arbetsstycke 14 som visas i tabellen Z för en nickelbaserad lege- ring underkastad värmebehandling i enlighet med den tidigare kända '11 10 15 20 25 30 35 40 9 454 361 tekniken (upplösningsvärmebehandling vid 1050°C.under.en'timma, mellanliggande värmebehandling på 840°C under 24 timmar och slut- ligen àldringsbehandling på 700°C under 20 timmar). Mikrostruktu- ren som visas i detta mikroskopfotografi utmärkas av utfällningar av intermetallíska föreningar. bestående väsentligenzav nickel och titan utfällda i korngränserna och genom existensen av ett område i vilket det icke finns några utfällningar av'Y' (gamma prim).och som omger utfällningarna av intermetalliska föreningar. Vidare bör det noteras att ' i denna mikrostruktur är större till sin storlek än den.'Y' i en mikrostruktur (direkt underkastad åldrings- behandling) som skall beskrivas i anslutning till fig 7.

Fig 7 är ett mikroskopfotografi visande mikrostrukturen för arbetsstycket 20 i tabell 2 för en nickelbaserad legering under- kastad värmebehandling i enlighet med uppfinningen (upplösnings- värmebehandling på 1050°C under en timma, ingen mellanvärmebehand- ling, åldringsbehandling vid 700°C under 20 timmar). Denna mikro- struktur utmärkes av utfällningar av kromkarbid utfälldaïi korn- gränserna och genom förekomsten av ultrafin ', som ej kan upp- täckas med en förstoring i storleksordningen 5000, utfällda i grundmassan.

Delarna för en reaktorkärna i enlighet med uppfinningen har fördelen att de förhindrar utvecklandet av spänningskorrosions- sprickor i delar i en reaktorkonstruktion i vilka sprickor bildas och förlänger dessas livslängd. Delar som lämpligen kan vara ut- förda i enlighet med uppfinningen skall uppräknas nedan (i fallet med en kokarreaktor): 1 för jetpumpen: tvärbalk och fjäder, jordbävningsmotstândstappen för skärm- locket och fjädern för bulten för detta, 3 för styrstagsmanövermekanismen, gripkopplingen, spännhus- fingret, spännhylsringen, skålfjäder, expansionsfjäder för stopptätningen, expansionsfjäder för den yttre tätningen, innerfjäder, klamma och fjäder i den nedre änden och 4 för bränslet: distanselement.(distansfjäder), finger- fjäder, expansionsfjäder.och kanalhál- lare (fjäder).

Från ovanstående beskrivning framgår att uppfinningen medför den fördelen att kärnreaktordelar med goda säkerhetsmarginaler kan tillverkas av en nickelbaserad legering av den utskiljningshärdande typen med hög motstàndsförmàga mot spänningskorrosionssprickor i rent vatten med hög temperatur och högt tryck. 2 för reaktorstapeln:

Claims (6)

454 361 IO P a t e n t k rla v

1. Kärnreaktordelar, k ä n n e t e c k n a d e a v att de är tillverkade av en legering bestående väsentligen uttryckt i viktsprocent av 0.01-0.2% kol, 10-21% krom, 1-4% titan, 0.2-2% niob, 0.1-2% aluminium, järn 0-10%, och den resterande delen nickel där titanínnehállet är högre än niobinnehâllet, varvid legeringen har en mikrostruktur med kromkarbid utfällt i korn- gränsen och en 3"'-fas utfälld i en austenitisk grundmassa i kornen, varvid i närheten av korngränser i alla områden finns utfälld 34'-fas, så att mikrostrukturen ger en minskning av spänningskorrosíonssprickandet för legeringen.

2. Delar för kärnreaktor i enlighet med krav 1, k ä n n e- t e c k n a d a v att titan, niob och alumíniumínnehàllen är 2-3%, 0.5-1.5% respektive 0.3-1% uttryckt i viktsprocent.

3. Delar för kärnreaktor i enlighet med krav 1, k ä n n e- t e c k n a d a v att titaninnehállet är högre än två gånger niobinnehàllet.

4. Förfarande för värmebehandling av kärnreaktordelar inne- fattande stegen att: en legering i viktsprocent väsentligen bestående av 0t01-0.2% kol, 10-21% krom, 1-4% titan, 0.3-2% niob. 0.1-2% aluminium, järn 0-10% och den resterande delen av nickel och vars titaninnheäll är högre än niobinnehállet underkastas varm plastisk bearbetning, och därefter underkastas legeringen àldringsbehandling i ett temperaturområde i vilket en utfällning av en K"-fas vid kornen och en utfällning av kromkarbider i kromgränserna bringas att ske, varvid utfällningen av 1"'-fas i kornen bringas att ske på så sätt att 3/'-fasen är utfälld i alla zoner i närheten av korn- gränserna, varigenom värmebehandlingen ger en reduktion av spän- níngskorrosionssprickandet för legeríngen.

5. Förfarande enligt krav 4, k.ä n n e t e c k n a t a v att en upplösningsvärmebehandling.utföres i temperaturintervaller mellan 1ooo-1zso°c under 60-15 minuter.

6. Förfarande enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a d a v att àldríngsbehandlingen utföres i temperaturomràdet mellan 650- 750°C under 20 timmar.