專利名稱：：一種核反應堆用鋯基合金的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明屬于材料
技術領域：
，特別是涉及一種用來制作核反應堆燃料包殼管、定位格架、端塞以及其它結構材料的核反應堆用鋯基合金。
背景技術：
：鋯基合金具有熱中子吸收截面小及優(yōu)異的抗蠕變、抗輻照生長、耐腐蝕性能及合適的機械性能，是目前最適宜用于核反應堆苛刻工況條件下的材料之一，常被用作反應堆結構材料。目前最成熟、應用最廣的是被稱為Zr-2、Zr-4合金的鋯基合金，但隨著核燃料組件向長壽期、高燃耗方向的發(fā)展，要求作為反應堆結構材料的鋯基合金必須具有更好的耐蝕、抗蠕變、抗輻照生長等綜合性能，在這一點上Zr-2、Zr-4合金已不能滿足要求。近二十年來，壓水堆(PWRS)用鋯合金的研究趨勢是對已有材料(如Zr-2,Zr-4,Zr-1Nb)的不斷改進和進行高性能新鋯合金的研究，國內(nèi)外對新鋯合金的研究和開發(fā)十分重視，其總體思路是在Zr-Nb系和Zr-Sn-Nb系合金的基礎上進行合金成分含量的調(diào)整以及添加其他合金元素，或者二者同時進行以達到提高合金整體性能的目的。目前，壓水反應堆用鋯合金已發(fā)展至第三代。美國、法國、俄羅斯、德國、韓國以及中國都相繼開發(fā)出了具有自主知識產(chǎn)權的第三代合金，這些合金的堆內(nèi)、外性能明顯優(yōu)于Zr-4合金，某些性能(如抗吸氫、抗蠕變等)成倍或幾倍地提高。上述合金有些已完成了所有堆外冷態(tài)和堆內(nèi)熱態(tài)試驗，并進入實用化階段，能滿足60GWd/tU甚至更高燃耗組件的要求，并且可大大地延長換料周期。在美國專利NO.5，112，573和5,230,758中公開了一種鋯合金，這種合她括了(重量比)O.5-2.0飾，0.7-1.5%Sn,0.07-0.14%Fe,0.Q3-0.14%的Ni和Cr中的至少一種元素，以及高至220ppm的C,其中Ni和Cr的總量至少為0.12%，合金的耐蝕性能得到了一定的改善。但該合金的抗蠕變性能沒能得到根本性的改善。美國專利No.5，080,861公開了一種用于改善核電廠反應堆堆芯材料耐腐蝕性能的鋯合金，該專利合金中含有0.6%的Nb,0.2%的Sb,0.5-1.0。/。的Sn，0.8-0.24%的Fe，0.07-0.13%的Cr,900-2000ppm的0,少于70ppm的Ni以及少于200ppm的C。但該合金的抗高壓蒸汽腐蝕性能和Zr-4合金相比提高的幅度不大。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種在高溫高壓水和蒸汽中均具有優(yōu)異的抗腐蝕性能、抗高溫蠕變性能以及適宜的拉伸性能的核反應堆用鋯基合金。為解決上述技術問題，本發(fā)明釆用的技術方案是一種核反應堆用鋯基合金，其特征在于該合金成分含量按重量百分比計為Sn0.6-1.4%,Nb0.15-1.2%,Fe0.1-0.5%,Cr0.02-0.1%,Cu0.004-0.05%，S10-25ppm，0700-1400ppm,余量為Zr及不可避免的雜質。本發(fā)明第一優(yōu)選技術方案是一種核反應堆用鋯基合金，其特征在于該合金成分含量按重量百分比計為Sn0.6-1.4%，Nb0.15-1.2%,Fe0.1-0.5%,Cr0.02-0.1%,Cu0.004-0.05Q/0,S10陽25ppm,O700-1400ppm,余量為Zr及其它不可避免的雜質，其中，所述Nb、Fe元素含量的總和不大于1.5%。本發(fā)明第二優(yōu)選技術方案是一種核反應堆用鋯基合金，其特征在于該合金成分含量按重量百分比計為Sn0.6-1.4%,Nb0.15-1.2%,Fe0.1-0.5%，Cr0.02-0.1%,Cu0.004-0.05%,S10-25ppm，0700-1400ppm,余量為Zr及其它不可避免的雜質，其中，所述Nb、Fe元素含量的總和不大于1.5%,所述Cu、S元素含量的總和不小于50ppm。本發(fā)明第三優(yōu)選技術方案是一種核反應堆用鋯基合金，其特征在于該合金成分含量按重量百分比計為Sn0.6-1.4%,Nb0.15-1.2%,Fe0.1-0.5%，Cr0.02-0.1%,Cu0.004-0.05。/。，S10-25ppm,0700-1400ppm,余量為Zr及其它不可避免的雜質，其中，所述Nb、Fe元素含量的總和不大于1.5%，所述Cu、S元素含量的總和不小于50ppm,所述Cu、O元素含量的總和不大于1700ppm。雖然鋯金屬在高溫高壓水以及蒸汽中均具有令人滿意的耐腐蝕性能，但是純金屬的耐腐蝕性能極易受到其中雜質元素的影響，造成性能的不穩(wěn)定性，另外，純金屬的拉伸、疲勞以及抗蠕變性能也不能滿足工程應用的要求，因此，本發(fā)明通過在鋯金屬中添加了一定量的Nb、Sn、Fe、Cr、Cu、0、S元素，以提高合金的綜合性能特別是耐腐蝕、抗蠕變和拉伸性能，從而達到工程使用的要求。本發(fā)明在詳細研究了相關合金元素對鋯合金的耐腐蝕、抗蠕變以及拉伸性能的影響后，確定了各合金元素及其用量?，F(xiàn)將確定各合金元素及用量的原因詳述如下(1)Nb已知Nb是鋯中一種P相穩(wěn)定元素。研究表明，當加入少量(小于0.15。/。)的Nb時，鋯合金材料的耐腐蝕性能便能得到提高，當添加的Nb含量高至1.2%時，合金的耐腐蝕性能亦能得到很大提高，同時合金的力學以及抗吸氫性能也同時得到了提高。(2)SnSn是一種oc相穩(wěn)定元素，并能提高鋯合金的強度和腐蝕性能，但是添辨少量的Sn不能達到所需要的強度和抗蠕變性能。本發(fā)明確定的Sn最佳用量范圍為0.6-1.4%(重量)。(3)Fe禾口CrFe和Cr可以改善合金的耐腐蝕性能和拉伸性能，但是在本發(fā)明所涉及的合金中，當加入的Fe小于0.1%(重量百分比)和大于0.5%(重量苜分比)時，都不能明顯改善其抗腐蝕性能。Cr元素雖然可以提高合金的耐腐蝕性能，但是Cr和Fe在合金材料中形成的Zr(Fe,Cr)2相卻會顯著降低合金的抗吸氫性能，因此Cr和Fe的含量范圍以及兩者之間配比會顯著影響合金的耐腐蝕和抗吸氫性能。在本發(fā)明所涉及的合金中，F(xiàn)e的含量范圍為0.1-0.5%(重量百分比)，Cr的含量范圍為0.02-0.1%(重量百分比)。(4)Cu合金中添加少量的Cu可以改善其耐腐蝕性能，當Cu的添加范圍為0.004-0.5%(重量百分比)時可以明顯改善合金的耐腐蝕性能。(5)S合金中添加S可以改善其抗蠕變性能，但是可添加的范圍很窄，過低和過高的添加量非但不能改善合金的抗蠕變性能，反而會使其性能惡化。秀本發(fā)明所涉及的合金中，S的添加范圍是10-25ppm(重量百分比)。(6)00元素在鋯合金中可形成間隙固溶體，該固溶體可改善合金機械強度，但是，過低o含量的強化效果不明顯，達不到所需的性能要求，而過高的o含量又會降低合金的可加工性。本發(fā)明所確定的最佳含量范圍為700-1400ppm(重量百分比)。綜合考慮上述各因素便可制備出具有優(yōu)異的拉伸性能和抗腐蝕、抗蠕變性能的鋯合金。.本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有以下優(yōu)點本發(fā)明鋯合金具有優(yōu)異的拉伸性能，在高溫高壓水和蒸汽中均具有優(yōu)異的抗腐蝕性能和抗高溫蠕變性能。下面結合具體的實施例對本發(fā)明作進一步說明，實施例只是對本發(fā)明的說明而非限定。具體實施例方式實施例以中間合金的形式向海綿鋯中添加需要量的NbSn、Fe、Cr元素，以氧化物形式向海綿鋯中添加需要量的S和0,將海綿鋯壓制成一定形狀和尺寸的電極，釆用真空自耗電弧爐將電極經(jīng)三次真空自耗電弧熔煉后得到鑄錠；將鑄錠鍛造成所需要形狀的坯料后，再對坯料進行淬火和固溶處理:將淬火坯料經(jīng)一定變形量的熱加工及冷加工后成為管材，管材經(jīng)再結晶退火處理后加工成所需形狀的樣品。按上述工藝共制備出成分符合權利要求書中所述范圍的10種典型合金樣品，合金具體成分見表1。將10種典型合金樣品進行室溫拉伸性能試驗和在高壓釜中進行400。C、10.3Mpa蒸汽腐蝕試驗以及360°C、18.6Mpa中性水腐蝕試驗，腐蝕試驗的時間均為100天。各合金對應的拉伸和40(TC、360'C腐蝕性能見表2、表3和表4,并以相同條件下Zr-合金的性能作為對比，以說明本發(fā)明的效果。表1、10種鋯合金的成分<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>表2、IO種鋯合金的溫室拉伸性能<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>表4、IO種鋯合金的36(TC蒸汽腐蝕性能<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>權利要求1.一種核反應堆用鋯基合金，其特征在于該合金成分含量按重量百分比計為Sn0.6-1.4％，Nb0.15-1.2％，F(xiàn)e0.1-0.5％，Cr0.02-0.1％，Cu0.004-0.05％，S10-25ppm，O700-1400ppm，余量為Zr及不可避免的雜質。2.根據(jù)權利要求1所述的一種核反應堆用鋯基合金，其特征在于所述Nb、Fe元素含量的總和不大于1.5%。3.根據(jù)權利要求2所述的一種核反應堆用鋯基合金，其特征在于所述Cu、S元素含量的總和不小于50ppm。4.根據(jù)權利要求3所述的一種核反應堆用鋯基合金，其特征在于所述Cu、O元素含量的總和不大于1700ppm。全文摘要本發(fā)明公開了一種核反應堆用鋯基合金，其特征在于該合金成分含量按重量百分比計為Sn0.6-1.4％，Nb0.15-1.2％，F(xiàn)e0.1-0.5％，Cr0.02-0.1％，Cu0.004-0.05％，S10-25ppm，O700-1400ppm，余量為Zr及其它不可避免的雜質。本發(fā)明鋯合金具有優(yōu)異的拉伸性能，在高溫高壓水和蒸汽中均具有優(yōu)異的抗腐蝕性能和抗高溫蠕變性能。文檔編號C22C16/00GK101413074SQ20081023254公開日2009年4月22日申請日期2008年12月3日優(yōu)先權日2008年12月3日發(fā)明者軍周,張建軍,朱梅生,李中奎,王文生,鋒田,石明華申請人:西北有色金屬研究院