UA57877C2 - Сплав на основі цирконію для елементів активної зони атомних реакторів - Google Patents

Abstract

Сплав на основі цирконію для елементів активної зони атомних реакторів, який містить в мас. %: ніобій 0,5 - 3,0, залізо 0,005 - 0,5, кисень 0,03 - 0,2, вуглець 0,001 - 0,04, кремній 0,002 - 0,1, нікель 0,003 - 0,02, цирконій - решта, при цьому структура сплаву характеризується α-твердим розчином цирконію та частинками β Nb-фази розміром менше 0,1 мкм з наявністю в ній ніобію 60 - 95 %. Сплав також може додатково містити частинки інтерметалідів Zr - Fe - Nb, при співвідношенні заліза до ніобію 0,05 - 0,2. Структура сплаву може також характеризуватися α-твердим розчином цирконію, зміцненим киснем, частинками β Nb-фази та може також додатково містити частинки інтерметалідів Zr - Fe - Nb розміром менше 0,3 мкм.

Description

кремній 0,002-0,1 нікель 0,003-0,02 цирконій решта, при вміщенні в частинках р МЬ - фази 75-9595 ніобію, а с- розчин додатково зміцнений киснем.

Запропонований сплав, на відміну від прототипу, дозволяє отримати оптимальний структурно - фазовий стан, який забезпечує високі: корозійну стійкість у воді та в середовищі водяного пару, міцність, опір повзучості та радіаційному росту.

Виготовлення виробів із запропонованого сплаву шляхом більш точного вибору співвідношення компонентів, які входять до сплаву, дозволяє створити відповідну структуру сплаву в готових виробах, який містить а- твердий розчин цирконію, рівномірно розподілені дрібнодисперсні частинки рівноважної З Мо -фази, твердого розчину цирконію в ніобії з об'ємноцентрированою кубічною решіткою з параметром о-3,33-3,35А, з вмістом в ньому ніобію більш 7595, що відповідає рівноважному складу ДЗ Мо - фази. Структура матеріалу може також включати дрібнодисперсні частинки інтерметалідів 21-Ее-МЬ.

Запропонований хімічний склад сплаву та наявність в його структурі Д МО -фази розміром менше 0,1мкм з вмістом в ній 75-9595 ніобію забезпечує створення рівноважної та високодисперсної структури, що сприяє збільшенню стабільності властивостей виробів, особливо корозійній стійкості та пластичності, в процесі використання.

Кількість ніобію 75-95 95 в В МО - фазі забезпечує її рівновагу та дисперсність менше 0,їмкм. Така структура забезпечує сплаву високу корозійну стійкість у високотемпературній воді та пластичність.

Враховуючи, що корозійна стійкість є основною експлуатаційною характеристикою виробів з цирконію, які використовуються в активній зоні ядерних реакторів, структура сплаву, яка має р Мо - фазу рівноважного складу, забезпечує готовим виробам високі корозійні характеристики у високотемпературній воді.

Вибір співвідношення заліза до ніобію менше 0,2 дозволяє забезпечити додаткове виділення частинок, інтерметалідів 2/-Бе-МО які вміщують залізо розміром менш 0,Змкм, рівномірно розподілених в а- твердому розчині, що сприяє збільшенню характеристик міцності в процесі експлуатації виробів. Крім того присутність в структурі сплаву інтерметалідів 2/-Бе-МО сприяє підвищенню опору сплаву нодулярній корозії в умовах кипіння, яке супроводжується потоншуванням стінки та гідріруванням оболонки , а також утворенням товстих окісних плівок, які знижують теплопровідність оболонки. Присутність у структурі сплаву інтерметалідів 21-Ее-

МЬ знижує схильність сплаву до нодулярної корозії в 1,5-2 рази.

При збільшенні співвідношення заліза до ніобію більш 0,2 не витримується склад ДВ МЬ - фази , тобто кількість ніобію в ДВ МО - фазі зменшується, і як слідство цього , зменшується стабільність корозійних властивостей.

Збільшення вмісту кисню у сплаві підвищує опір повзучості та радіаційному росту при робочих температурах в 2,5-6 разів. Більш високий опір повзучості зберігається і в нейтронному полі. Крім того, присутність кисню стабілізує корозійну стійкість та робить її менш залежною від режимів гарячої обробки та термообробки. При цьому підвищуються та стабілізуються корозійні та міцністні характеристики сплаву за рахунок зміцнення с-- твердого розчину киснем.

Для кращого поняття винаходу далі наведені конкретні приклади його виконання.

Приклад 1.

З сплаву, за винаходом, були виготовлені злитки методом вакумно-дугової плавки . Вказані злитки були підвергнути повній переробці, що імітує виготовлення напівфабрикатів, а саме, гарячій деформації (ковці, прокатці), Д-загартуванню, пресуванню у верхній часті с; - області та далі холодній переробці з проміжними ос. - відпалом дозволяє отримати структуру з необхідним набором фаз, які підвищують корозійну стійкість та міцність, основна доля яких падає на р МЬ - фазу розміром не більше 0,1мкм з вмістом в ній 75-9595 ніобію.

Винахід супроводжується прикладами, наведеними в таблицях 1, 2, 3.

В таблиці 1 наведені склади сплавів за винаходом та прототипом. В таблиці 2 наведені характеристики р

МЬ - фази. В таблиці З представлені властивості цих сплавів. Сплав за прототипом вироблявся за технологію, яка заявлена в патенті.

Таблиця 1.

МоМо Легуючий компонент мас 95 Структура зразка кисень вуглець кремній | нікель 111001 01 0.008 0.006 0.005 а- 1 | твердий

І розчин, В

МЬ- фаза. 2 2.5 0.01 0.1 0.009 0.008 0.003 Ч-

Ї | твердий ! розчин, В

МЬ- фаза. 2.5 | 0.5 0.05 0.02 0.02 0.006 а- твердий

Грозчин,В

МЬ- фаза. ! Інтермета ліди 2-

Ге-МЬ 4 2.0 01 0.03 0.001 0.002 0.02 | Ч- твердий розчин, В! / Мр- фаза.

Інтермета ; оліди 2 -

ШИ ШІ 1 1ве- Мо) 1.5 0.01 0.2 0.015 0.005 0.02 і Зміцнени й Фба- твердий

Ї розчин, В

МЬ- фаза. 6 0.5 0.15 0.04 01 002 | Зміцнени йОга- твердий розчин, В

МЬ- фаза. 7 04 0994 002 0.01 0.01 0.008 а- твердий розчин. 8 0.8 0.005 01 0.001 0.005 - а- твердий розчин, друга фаза

Таблиця 2 зраз ків Розмір частинок, Відстань між Вміст МБ в частинках В МБ-

МКМ частинками, мкм | фази, У 1 0,04 0,15-0,20 85 2 0,05 0,12 -0,15 80 3 0,08 0,12-0,17 85 4 0,06 012-015 85 5 0,06 0,12-0,17 80 6 0,03 0,18-0,20 75 7 - - -

Таблиця З

МоМе. 55 Я "Приріст у водіавтоклаву | Деформація ( зраз )/ повзучості при температурі 35076, радіаційного росту 16 ків бе 100 МРа при тиску 168 Ра, за 3000 при флюєнсі 5,4.10 350" С, дагодин годин, мідм" М'Є з»0,1 МзВ) 9 33.10 35-40 150-1,70 2 2,0. 10 40 -45 1,10 -1,30

З 6,0.10 2 35-40 0,40 -- 0,45 4 90.10 35-40 0,70 -0,8 т0.107, 37-42 0,85 -0,95 6 18. 10, 45-50 1,50 -1,70 7 70.10, 65-75 2,00 -2,20 8 4,5. 10 50-85 1,75 -1,90

Як видно з наведених прикладів, при вмісті ніобію нижче 0,5мас.9о (приклад 7) виділення ВД МО- фази не спостерігається, що негативно позначається на корозійній стійкості сплаву. Так приріст зразка у воді автоклаву складає 65-75мгідм? замість 35-50мгідм? для сплавів з ВД МО- фазою. Крім того, на корозійні властивості впливає розмір частинок Д Мр- фази, відстань між ними, об'ємна доля частинок, а головне, склад в них ніобію.

Найбільш бажаним з точки зору сполучення властивостей виявляються склади сплавів по прикладам 1,2,3,4,5,6. В сплавах за прикладами 1 та 2 структура має с - твердий розчин з виділенням рК Мр- фази, розміром не більш 0,05мкм та вмістом в ній ніобію 85-9095,що відповідає рівноважному складу ВД Мо- фази, корозійна стійкість цих сплавів вище, ніж у сплаву з замежовими значеннями ніобію та заліза (приклад 7) та прототипу (приклад 8).

Сплави за прикладами 3 та 4 додатково мають інтерметаліди 71-Бе-МЬ (приклад 3) з співвідношенням заліза до ніобію рівним 0,2; приклад 4 з співвідношенням заліза до ніобію 0,05, які додатково зміцнюють матрицю сплаву, підвищуя при цьому не тільки корозійні властивості, особливо опір нодулярній корозії, але і опір повзучості та деформації радіаційного росту ( таблиця 3).

Сплав за прикладом 5 додатково має підвищену (0,2мас.9о) кількість кисню, що підвищує опір повзучості та радіаційний ріст, стабілізує корозійну стійкість за рахунок зміцнення а - матриці (таблиця 3).

Сплав по прикладу 6 має підвищену кількість кисню та мінімальне значення по ніобію, це приводить до зниження кількості ДО МО- фази, в структурі, однак із - за того, що частинки р МОБ- фази дуже дисперсні (0,0Змкм)та мають рівноважний склад (7590 ніобію), а є - твердий розчин зміцнений киснем, характеристики цього сплаву знаходяться в допустимих межах по експлуатаційним вимогам. Структура матеріалу, який може бути одержаний із сплаву за прототипом, не наводиться. Певно, в даній структурі склад другої фази нерівноважний. Ось чому властивості матеріалу з сплаву за прототипом поступаються властивостям запропонованого матеріалу.

Зміцнення о - твердого розчину киснем додатково підвищує міцність, опір повзучості та стабілізує корозійну стійкість.

Таким чином, використання запропонованого сплаву дозволяє получити вироби з однорідною структурою та дрібнодисперсним і рівномірним розподіленням в ній частинок Др МО- фази рівноважного складу. В результаті формування такої структури матеріал виробу має високий опір корозії, радіаційному росту та повзучості. Присутність в структурі сплаву інтерметалідів 21-Ее-МЬ та наявність заліза та ніобію в с - твердому розчині сприяє підвищенню опору сплаву повзучості та радіаційному росту.

Найбільш ефективно цей винахід може бути застосований для виготовлення виробів, які використовуються в активній зоні атомних реакторів. Крім того, вказаний сплав може бути використаний в хімічній промисловості, в медичній промисловості та в інших галузях техніки, де потрібна висока корозійна стійкість, пластичність, опір руйнуванню та висока радіаційна стійкість.