專利名稱:一種ods高溫合金管的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ODS高溫合金管的制備方法。
背景技術(shù)：
能源問題日益成為世界發(fā)展所面臨的共同危機(jī)，在能源需求與環(huán)境保護(hù)雙重壓力下，為保障國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，核能是解決我國能源問題的重要途徑之一。超臨界水堆(Super Critical Water Reactor, SCWR)作為第四代新型核能系統(tǒng)中唯一的先進(jìn)水冷堆，具有在經(jīng)濟(jì)性、工程技術(shù)延續(xù)性以及可持續(xù)性上的諸多綜合優(yōu)勢，是大功率壓水堆技術(shù)發(fā)展 的必然趨勢。
超臨界水堆運(yùn)行于超高壓力、高溫度和強(qiáng)烈中子輻照條件下，這種極端的工作條件給傳統(tǒng)的核燃料包殼材料帶來了新的挑戰(zhàn)，要求同時(shí)具備以下幾個(gè)特性1、在工作溫度范圍(正常情況為280°C 620°C，非正常情況高達(dá)840°C)具有高強(qiáng)度和耐腐蝕性；2、低的腐蝕開裂敏感性；3、較低的中子吸收截面和吸收中子后的感生放射弱性；4、中子輻射穩(wěn)定性低輻射腫脹、低輻射脆性和低活化；5、易加工成型。而常規(guī)壓水堆使用的核燃料包殼材料是Zr合金，但Zr合金的機(jī)械性能較差并存在嚴(yán)重的輻照腫脹問題，不能完全滿足SCWR燃料包殼的要求。
氧化物彌散強(qiáng)化(ODS)合金，尤其是ODS鐵素體鋼，其優(yōu)異的高溫力學(xué)性能和良好的抗輻照能力成為SCWR包殼最有希望的一類候選材料。彌散強(qiáng)化是指用不溶于基體金屬的超細(xì)第二相(強(qiáng)化相)來強(qiáng)化金屬材料方法，其實(shí)質(zhì)是利用彌散的超細(xì)微粒阻礙位錯(cuò)運(yùn)動，不僅能夠提高材料的高溫力學(xué)性能，而且能夠增強(qiáng)材料的輻照穩(wěn)定性。
由于ODS合金具有強(qiáng)度高、硬度大和材料脆性，材料具有較差成型加工性能，因而采用傳統(tǒng)方法(鍛造、淬火、拉拔和形變熱處理)制備核燃料包殼ODS合金管存在工藝復(fù)雜、效率低和難于加工成型等問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是要解決現(xiàn)有的制備核燃料包殼ODS合金管方法中工藝復(fù)雜、效率低和難于獲得各種管徑尺寸和壁厚的問題而提出一種ODS高溫合金管的制備方法。
本發(fā)明中的一種ODS高溫合金管的制備方法按以下步驟進(jìn)行
一、清洗基管外表面基管材質(zhì)為陶瓷、金屬或可溶性鹽類，對于陶瓷和金屬材質(zhì)的基管，在超聲功率為150W 200W的條件下，先用丙酮清洗IOmin 20min，然后再用無水乙醇清洗8mirTl2min，晾干后，安裝在電子束物理氣相沉積設(shè)備的固定基架上；對于可溶性鹽類的基管，用電吹風(fēng)將外表面附著的灰塵吹掉后，安裝在電子束物理氣相沉積設(shè)備內(nèi)的固定基架上，其中電子束物理氣相沉積設(shè)備制備的ODS高溫合金管的外徑尺寸為15mm 150mm,壁厚為0. Imm 8mm,長度小于500_ ；
二、電子束物理氣相沉積前的準(zhǔn)備工作將合金錠料和氧化物粉末分別放入不同的坩堝中，然后對電子束物理氣相沉積系統(tǒng)開始抽真空，在抽真空的同時(shí)，啟動固定基架上的加熱裝置對基管進(jìn)行加熱，并啟動固定基架上的轉(zhuǎn)動裝置使基管以lrpnTl5rpm的速度轉(zhuǎn)動，達(dá)到700°C、00°C時(shí)，停止升溫，保持基管恒定于此溫度，其中合金錠料的成分為鐵基高溫合金、鎳基高溫合金或鈷基高溫合金任一種，氧化物粉末為Y2O3粉末、Al2O3粉末或ZrO2粉末任一種，氧化物粉末顆粒尺寸為m，靶基距(坩堝到基管的距離)為100mm^600mm ；
三、沉積ODS高溫合金管繼續(xù)對電子束物理氣相沉積系統(tǒng)抽真空直到絕對真空度高于5X10_2Pa時(shí)，調(diào)整轉(zhuǎn)動裝置使基管以lrpnTl5rpm的速度轉(zhuǎn)動，然后用不同束流密度的電子束同時(shí)加熱合金錠料和氧化物粉末，使它們達(dá)到熔點(diǎn)并開始熔化，當(dāng)合金錠料和氧化物粉末中熔池達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，打開擋板，開始蒸發(fā)，當(dāng)ODS高溫合金管的壁厚為0. ImnTSmm時(shí)，立即關(guān)閉電子束，拉上擋板，然后關(guān)閉固定基架上的加熱裝置，停止固定基架上的轉(zhuǎn)動裝置，關(guān)閉電子束物理氣相沉積設(shè)備，完成ODS高溫合金管的的制備，其中沉積過程中加熱合金錠料的電子束與加熱氧化物粉末的電子束的束流密度之比為(I. 3^5) :1。
本發(fā)明的機(jī)理是由于ODS合金具有強(qiáng)度高、硬度大和材料脆性，材料具有較差成型加工性能。因而采用傳統(tǒng)方法(鍛造、淬火、拉拔和形變熱處理)制備核燃料包殼ODS鐵素體鋼管存在工藝復(fù)雜、效率低和難于加工成型等問題。而大功率電子束物理氣相沉積技術(shù)由于具有功率高，蒸發(fā)速率快，制備的ODS合金中氧化物顆粒尺寸小且分布均勻和一次凈成型等優(yōu)點(diǎn)，可通過成分設(shè)計(jì)和多源蒸發(fā)直接沉積ODS合金。
本發(fā)明包括以下有益效果
I、采用兩個(gè)及兩個(gè)以上坩堝，通過成分和制備工藝設(shè)計(jì)，用電子束加熱合金錠料和氧化物粉末，氣體從熔池中蒸發(fā)出來，沉積到旋轉(zhuǎn)的基管上，通過連續(xù)沉積，來獲得不同管徑尺寸和壁厚的ODS高溫合金管材；
2、采用電子束物理氣相沉積方法，工藝簡單、蒸發(fā)速率快而且制備的ODS高溫合金管材中、氧化物顆粒尺寸小且分布均勻；
3、利用電子束的束流密度的變化控制不同材料的蒸發(fā)速率，從而控制氧化物在合金中的含量，得到具有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能和良好的抗輻照能力ODS高溫合金；
4、本發(fā)明中基管是襯底材料，通過勻速轉(zhuǎn)動基管，可以得到管壁厚度均一的ODS
mil n 巨 o
具體實(shí)施方式
本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉具體實(shí)施方式
，還包括各具體實(shí)施方式
間的任意組合。 具體實(shí)施方式
一本實(shí)施方式中的一種ODS高溫合金管的制備方法按以下步驟進(jìn)行
一、清洗基管外表面基管材質(zhì)為陶瓷、金屬或可溶性鹽類，對于陶瓷和金屬材質(zhì)的基管，在超聲功率為150W 200W的條件下，先用丙酮清洗IOmin 20min，然后再用無水乙醇清洗8mirTl2min，晾干后，安裝在電子束物理氣相沉積設(shè)備的固定基架上；對于可溶性鹽類的基管，用電吹風(fēng)將外表面附著的灰塵吹掉后，安裝在電子束物理氣相沉積設(shè)備內(nèi)的固定基架上，其中電子束物理氣相沉積設(shè)備制備的ODS高溫合金管的外徑尺寸為15mm 150mm,壁厚為0. Imm 8mm,長度小于500_ ；[0020]二、電子束物理氣相沉積前的準(zhǔn)備工作將合金錠料和氧化物粉末分別放入不同的坩堝中，然后對電子束物理氣相沉積系統(tǒng)開始抽真空，在抽真空的同時(shí)，啟動固定基架上的加熱裝置對基管進(jìn)行加熱，并啟動固定基架上的轉(zhuǎn)動裝置使基管以lrpnTl5rpm的速度轉(zhuǎn)動，達(dá)到700°C、00°C時(shí)，停止升溫，保持基管恒定于此溫度，其中合金錠料的成分為鐵基高溫合金、鎳基高溫合金或鈷基高溫合金任一種，氧化物粉末為Y2O3粉末、Al2O3粉末或ZrO2粉末任一種，氧化物粉末顆粒尺寸為m，靶基距(坩堝到基管的距離)為IOOmm 600mm ；
三、沉積ODS高溫合金管繼續(xù)對電子束物理氣相沉積系統(tǒng)抽真空直到絕對真空度高于5X10_2Pa時(shí)，調(diào)整轉(zhuǎn)動裝置使基管以lrpnTl5rpm的速度轉(zhuǎn)動，然后用不同束流密度的電子束同時(shí)加熱合金錠料和氧化物粉末，使它們達(dá)到熔點(diǎn)并開始熔化，當(dāng)合金錠料和氧化物粉末中熔池達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，打開擋板，開始蒸發(fā)，當(dāng)ODS高溫合金管的壁厚為0. ImnTSmm時(shí)，立即關(guān)閉電子束，拉上擋板，然后關(guān)閉固定基架上的加熱裝置，停止固定基架上的轉(zhuǎn)動裝置，關(guān)閉電子束物理氣相沉積設(shè)備，完成ODS高溫合金管的的制備，其中沉積過程中加熱合金錠料的電子束與加熱氧化物粉末的電子束的束流密度之比為(I. 3^5) :1。
本發(fā)明的機(jī)理是由于ODS合金具有強(qiáng)度高、硬度大和材料脆性，材料具有較差成型加工性能。因而采用傳統(tǒng)方法(鍛造、淬火、拉拔和形變熱處理)制備核燃料包殼ODS鐵素體鋼管存在工藝復(fù)雜、效率低和難于加工成型等問題。而大功率電子束物理氣相沉積技術(shù)由于具有功率高、蒸發(fā)速率快、氧化物顆粒尺寸小且分布均勻和一次凈成型等優(yōu)點(diǎn)，可通過成分設(shè)計(jì)和多源蒸發(fā)直接沉積ODS合金。
本發(fā)明包括以下有益效果
I、采用兩個(gè)及兩個(gè)以上坩堝，通過成分和制備工藝設(shè)計(jì)，用電子束加熱合金錠料和氧化物粉末，氣體從熔池中蒸發(fā)出來，沉積到旋轉(zhuǎn)的基管上，通過連續(xù)沉積，來獲得不同管徑尺寸和壁厚的ODS高溫合金管材；
2、采用電子束物理氣相沉積方法，工藝簡單、蒸發(fā)速率快而且制備的ODS高溫合金管材中、氧化物顆粒尺寸小且分布均勻；
3、利用電子束的束流密度的變化控制不同材料的蒸發(fā)速率，從而控制氧化物在合金中的含量，得到具有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能和良好的抗輻照能力ODS高溫合金；
4、本發(fā)明中基管是襯底材料，通過勻速轉(zhuǎn)動基管，可以得到管壁厚度均一的ODS
mil n 巨 o 具體實(shí)施方式
二 本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是步驟一中在超聲功率為160W 190W的條件下,先用丙酮清洗12min 18min,然后再用無水乙醇清洗9min llmin。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一相同。 具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是步驟一中在超聲功率為175W的條件下,先用丙酮清洗15min,然后再用無水乙醇清洗lOmin。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一相同。 具體實(shí)施方式
四本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至三之一不同的是步驟二中啟動固定基架上的轉(zhuǎn)動裝置使基管以2rpnTl4rpm的速度轉(zhuǎn)動，達(dá)到750°C 850°C時(shí)，停止升溫。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一至三之一相同。 具體實(shí)施方式
五本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至三之一不同的是步驟二中啟動、固定基架上的轉(zhuǎn)動裝置使基管以5rpm的速度轉(zhuǎn)動，達(dá)到800°C，停止升溫。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一至三之一相同。 具體實(shí)施方式
六本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至五之一不同的是步驟二中氧化物粉末顆粒尺寸為2 u nTlO u m,靶基距(i甘堝到基管的距離)為150mnT500mm。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一至五之一相同。 具體實(shí)施方式
七本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至五之一不同的是步驟二中氧化物粉末顆粒尺寸為5 ym，靶基距(坩堝到基管的距離)為220mm。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一至五之一相同。 具體實(shí)施方式
八本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至七之一不同的是步驟三中繼續(xù)對電子束物理氣相沉積系統(tǒng)抽真空直到絕對真空度高于2 X 10_2Pa時(shí)停止抽真空，調(diào)整轉(zhuǎn)動裝置使基管以5rpm的速度轉(zhuǎn)動。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一至七之一相同。 具體實(shí)施方式
九本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至八之一不同的是步驟三中當(dāng)ODS高溫合金管的壁厚為0. 2mnT7mm時(shí)，拉上擋板后，立即關(guān)閉電子束，其中加熱合金錠料的電子束與加熱氧化物粉末的電子束的束流密度之比為(I. 5 4) :1。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一至七之一相同。 具體實(shí)施方式
十本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至八之一不同的是步驟三中當(dāng)ODS高溫合金管的壁厚為5mm時(shí)，拉上擋板后，立即關(guān)閉電子束，其中加熱合金錠料的電子束與加熱氧化物粉末的電子束的束流密度之比為3:1。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一至七之一相同。
為了驗(yàn)證本發(fā)明的有益效果，進(jìn)行了以下實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)一一種ODS高溫合金管的制備方法按以下步驟進(jìn)行
一、清洗基管外表面基管材質(zhì)為陶瓷，在超聲功率為175W的條件下，先用丙酮清洗15min，然后再用無水乙醇清洗lOmin，晾干后，安裝在電子束物理氣相沉積設(shè)備的固定基架上；其中基管的外徑尺寸為92mm。
二、電子束物理氣相沉積前的準(zhǔn)備工作將鐵基高溫合金錠料和Y2O3粉末分別放入不同的坩堝中，然后對電子束物理氣相沉積系統(tǒng)開始抽真空，在抽真空的同時(shí)，啟動固定基架上的加熱裝置對基管進(jìn)行加熱，并啟動固定基架上的轉(zhuǎn)動裝置使基管以3rpm的速度轉(zhuǎn)動，達(dá)到850°C，停止升溫，保持基管恒定于此溫度，其中Y2O3粉末顆粒尺寸為I y nT5 ii m,靶基距(i甘堝到基管的距離)為300mm，鐵基高溫合金的質(zhì)量百分比成分為Cr :9°/Tl5%，Ti 0. 2% 1%，F(xiàn)e 84%"90% ；
三、沉積ODS高溫合金管繼續(xù)對電子束物理氣相沉積系統(tǒng)抽真空直到絕對真空度高于2 X 10_2Pa時(shí)，調(diào)整轉(zhuǎn)動裝置使基管以3rpm的速度轉(zhuǎn)動，加熱鐵基高溫合金錠料的電子束的束流密度為I. 5A，加熱Y2O3粉末的電子束的束流密度為0. 5A，使它們達(dá)到熔點(diǎn)并開始熔化，當(dāng)鐵基高溫合金錠料和Y2O3粉末中熔池達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，打開擋板，開始蒸發(fā)，當(dāng)ODS鐵基高溫合金管的壁厚為4mm時(shí)，立即關(guān)閉電子束，拉上擋板，然后關(guān)閉固定基架上的加熱裝置，停止固定基架上的轉(zhuǎn)動裝置，關(guān)閉電子束物理氣相沉積設(shè)備，完成ODS鐵基高溫合金管的制備。
通過本發(fā)明方法制備的ODS鐵基高溫合金管,外徑尺寸為100mm,壁厚為4mm,長度為200mm，經(jīng)檢測Y2O3在ODS鐵基高溫合金管中的質(zhì)量百分含量為0. 3%，并且是以納米級顆粒進(jìn)行分布的，其中l(wèi)nnTl5nm的Y2O3顆粒占總Y2O3顆粒的質(zhì)量百分比為90%, 16nnTl00nm的Y2O3顆粒占總Y2O3顆粒的質(zhì)量百分比為10%，達(dá)到設(shè)計(jì)要求而且分布均一； 整個(gè)ODS鐵基高溫合金管的外徑尺寸和壁厚都均勻一致，也達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。
權(quán)利要求
1.一種ODS高溫合金管的制備方法，其特征在于它是通過以下步驟實(shí)現(xiàn)的 一、清洗基管外表面基管材質(zhì)為陶瓷、金屬或可溶性鹽類，對于陶瓷和金屬材質(zhì)的基管，在超聲功率為150W 200W的條件下，先用丙酮清洗IOmin 20min，然后再用無水乙醇清洗8mirTl2min，晾干后，安裝在電子束物理氣相沉積設(shè)備的固定基架上；對于可溶性鹽類的基管，用電吹風(fēng)將外表面附著的灰塵吹掉后，安裝在電子束物理氣相沉積設(shè)備內(nèi)的固定基架上，其中電子束物理氣相沉積設(shè)備制備的ODS高溫合金管的外徑尺寸為15mm 150mm，壁厚為0.長度小于500_ ； 二、電子束物理氣相沉積前的準(zhǔn)備工作將合金錠料和氧化物粉末分別放入不同的坩堝中，然后對電子束物理氣相沉積系統(tǒng)開始抽真空，在抽真空的同時(shí)，啟動固定基架上的加熱裝置對基管進(jìn)行加熱，并啟動固定基架上的轉(zhuǎn)動裝置使基管以lrpnTl5rpm的速度轉(zhuǎn)動，達(dá)到700°C、00°C時(shí)，停止升溫，保持基管恒定于此溫度，其中合金錠料的成分為鐵基高溫合金、鎳基高溫合金或鈷基高溫合金任一種，氧化物粉末為Y2O3粉末、Al2O3粉末或ZrO2粉末任一種，氧化物粉末顆粒尺寸為I U nT20 u m,靶基距(坩堝到基管的距離)為IOOmnTeOOmm ； 三、沉積ODS高溫合金管繼續(xù)對電子束物理氣相沉積系統(tǒng)抽真空直到絕對真空度高于5X10_2Pa時(shí)，調(diào)整轉(zhuǎn)動裝置使基管以lrpnTl5rpm的速度轉(zhuǎn)動，然后用不同束流密度的電子束同時(shí)加熱合金錠料和氧化物粉末，使它們達(dá)到熔點(diǎn)并開始熔化，當(dāng)合金錠料和氧化物粉末中熔池達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，打開擋板，開始蒸發(fā)，當(dāng)ODS高溫合金管的壁厚為0. lmnT8mm時(shí)，立即關(guān)閉電子束，拉上擋板，然后關(guān)閉固定基架上的加熱裝置，停止固定基架上的轉(zhuǎn)動裝置，關(guān)閉電子束物理氣相沉積設(shè)備，完成ODS高溫合金管的的制備，其中沉積過程中加熱合金錠料的電子束與加熱氧化物粉末的電子束的束流密度之比為(I. 3^5) :1。
2.如權(quán)利要求
I所述的一種ODS高溫合金管的制備方法，其特征在于步驟一中在超聲功率為160W 190W的條件下，先用丙酮清洗12min 18min，然后再用無水乙醇清洗9min Ilmin0
3.如權(quán)利要求
I所述的一種ODS高溫合金管的制備方法，其特征在于步驟一中在超聲功率為175W的條件下，先用丙酮清洗15min，然后再用無水乙醇清洗lOmin。
4.如權(quán)利要求
1、2或3所述的一種ODS高溫合金管的制備方法，其特征在于步驟二中啟動固定基架上的轉(zhuǎn)動裝置使基管以2rpnTl4rpm的速度轉(zhuǎn)動，達(dá)到750°C 850°C時(shí)，停止升溫。
5.如權(quán)利要求
1、2或3所述的一種ODS高溫合金管的制備方法，其特征在于步驟二中啟動固定基架上的轉(zhuǎn)動裝置使基管以5rpm的速度轉(zhuǎn)動，達(dá)到800°C，停止升溫。
6.如權(quán)利要求
4所述的一種ODS高溫合金管的制備方法，其特征在于步驟二中氧化物粉末顆粒尺寸為2 u nTlO u m,靶基距(i甘堝到基管的距離)為150mnT500mm。
7.如權(quán)利要求
4所述的一種ODS高溫合金管的制備方法，其特征在于步驟二中氧化物氧化物粉末顆粒尺寸為5 ym，靶基距(坩堝到基管的距離)為220mm。
8.如權(quán)利要求
6所述的一種ODS高溫合金管的制備方法，其特征在于步驟三中繼續(xù)對電子束物理氣相沉積系統(tǒng)抽真空直到絕對真空度高于2X 10_2Pa時(shí)，調(diào)整轉(zhuǎn)動裝置使基管以5rpm的速度轉(zhuǎn)動。
9.如權(quán)利要求
8所述的一種ODS高溫合金管的制備方法，其特征在于步驟三中當(dāng)ODS高溫合金管的壁厚為0. 2mnT7mm時(shí)，拉上擋板后，立即關(guān)閉電子束，其中加熱合金錠料的電子束與加熱氧化物粉末的電子束的束流密度之比為(I. 5^4) :1。
10.如權(quán)利要求
8所述的一種ODS高溫合金管的制備方法，其特征在于步驟三中當(dāng)ODS高溫合金管的壁厚為5mm時(shí)，拉上擋板后，立即關(guān)閉電子束，其中加熱合金錠料的電子束與加熱氧化物粉末的電子束的束流密度之比為3:1。
專利摘要
一種ODS高溫合金管的制備方法，它涉及ODS高溫合金管的制備方法，本發(fā)明是要解決現(xiàn)有的制備核燃料包殼ODS合金管方法中工藝復(fù)雜、效率低和難于獲得各種管徑尺寸和壁厚的問題。本發(fā)明中一種ODS高溫合金管的制備方法通過如下步驟來實(shí)現(xiàn)一、清洗基管外表面；二、電子束物理氣相沉積前的準(zhǔn)備工作；三、沉積ODS高溫合金管。采用本發(fā)明方法可以制備各種管徑尺寸和壁厚的ODS高溫合金管。本發(fā)明可應(yīng)用于核能系統(tǒng)中超臨界水堆的核燃料包殼材料的制備及其它高溫環(huán)境下使用部件的制備。
文檔編號G21C3/07GKCN102758181SQ201210284544
公開日2012年10月31日 申請日期2012年8月6日
發(fā)明者何飛, 孫躍, 宋廣平, 李明偉, 林秀, 赫曉東, 趙軼杰 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan