[發(fā)明專利]一種核動力堆芯結構材料用鋯基合金

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610001961.3
• 申請日: 2016-01-06
• 公開（公告）號: CN105441717B
• 公開（公告）日: 2017-09-26
• 發(fā)明（設計）人: 程竹青;楊忠波;卓洪;趙文金;彭倩;易偉;邱軍
• 申請（專利權）人: 中國核動力研究設計院
• 主分類號: C22C16/00
• 分類號: C22C16/00;C22F1/18
• 代理公司: 成都行之專利代理事務所(普通合伙)51220
• 代理人: 譚新民

技術領域

本發(fā)明屬于特種合金材料技術領域，具體涉及一種核動力堆芯結構材料用鋯基合金材料。

背景技術

鋯合金由于熱中子吸收截面小，同時在高溫高壓水和蒸汽中有很好的抗腐蝕性能，在堆內有相當好的抗中子輻照性能，因而被普遍用作核動力水冷反應堆的包殼材料，也是目前核電站反應堆唯一采用的包殼材料。在輕水反應堆的發(fā)展過程中，燃料設計對反應堆堆芯結構部件，如燃料元件包殼、格架、導向管等，提出了很高的要求。早期，包殼材料通常由Zr-4合金制成，之后高燃料燃耗的設計要求提高冷卻劑溫度和延長鋯合金包殼在堆內的停留時間，從而使得鋯合金包殼面臨著更為苛刻的腐蝕環(huán)境，這些高要求促進了改善Zr-4合金耐腐蝕性能的研究，同時也推動了對具有更優(yōu)良耐腐蝕性能的新型鋯合金的開發(fā)。

隨著核電的進一步發(fā)展，在保證核反應堆安全性的基礎上，需要提高核反應堆的經(jīng)濟性、降低核電運行成本，因而對燃料組件提出了長壽期、高燃耗、零破損的目標。這意味著鋯合金包殼的水側腐蝕加重、吸氫量增加、輻照時間增長、芯塊與包殼相互作用增大和內壓升高等，從而對鋯合金的使用性能提出了更高的要求。針對核動力技術發(fā)展對燃料包殼提出的高要求，國際上展開了新型鋯合金的研究，獲得了比Zr-4合金具有更好耐腐蝕性能的ZIRLO、E635、M5、X5A等新型鋯合金。已有研究表明，現(xiàn)有鋯合金中成分的配比并不一定在最優(yōu)范圍內，如將ZIRLO合金中的Sn含量降低后，其耐腐蝕性能進一步提高；在Zr-Nb合金中添加微量的Cu（0.05wt%）后形成的HANA-6合金也具有非常優(yōu)良的耐腐蝕性能；M5合金在堆內運行過程中出現(xiàn)了燃料棒或燃料組件彎曲以及抗輻照生長性能差等異常現(xiàn)象，因此法國在M5合金成分基礎上添加了少量的Sn及Fe，在保持合金優(yōu)良耐腐蝕性能基礎上大幅改善了合金的力學性能，尤其是蠕變及輻照生長性能。因此，在現(xiàn)有鋯合金的基礎上優(yōu)化合金成分配比或者添加其它合金元素還可開發(fā)出耐腐蝕性能更加優(yōu)良的鋯合金，以滿足燃耗不斷提高的需要。

另外，在合金成分確定以后，采用合適的熱加工工藝還可以進一步改善合金的耐腐蝕性能。如在Nb含量較高的鋯合金中，包括ZIRLO、M5及N36等，當提高熱加工的溫度后，由于第二相的粗化和不均勻分布以及合金基體中過飽和固溶Nb，會引起耐腐蝕性能變差，因而都強調要采用“低溫加工工藝”，即采用較低熱加工溫度及退火溫度的低溫加工工藝能夠獲得細小彌散的第二相組織，從而大幅改善了合金的耐腐蝕性能及力學性能。

發(fā)明內容

本發(fā)明通過對現(xiàn)有鋯合金中的成分及配比作進一步優(yōu)化，以得到一種新穎的、具有良好耐腐蝕性能的新型鋯合金。

為了實現(xiàn)這一目的，本發(fā)明采取的技術方案是：

一種核動力堆芯結構材料用鋯基合金，按重量百分含量計，由下列成分組成：Sn：0.1-0.3%，Nb：1.0-1.35%，F(xiàn)e：0.01-0.15%，V：0.01-0.2%，Ni或Bi或Ge：0-0.1%，Mn或Mo：0-0.1%，O：0.06-0.15%，C：小于0.008%，N：小于0.006%，余量為Zr及其它雜質。

一種核動力堆芯結構材料用鋯基合金，按重量百分含量計，由下列成分組成：Sn：0.1-0.3%，Nb：1.0-1.35%，F(xiàn)e：0.01-0.15%，V：0.01-0.2%，Ni或Bi或Ge：0-0.1%，Mn或Mo：0.01-0.1%，O：0.06-0.15%，C：小于0.008%，N：小于0.006%，余量為Zr及其它雜質。

一種核動力堆芯結構材料用鋯基合金，按重量百分含量計，由下列成分組成：Sn：0.1-0.3%，Nb：1.0-1.35%，F(xiàn)e：0.01-0.15%，V：0.01-0.2%，Ni或Bi或Ge：0.01-0.1%，Mn或Mo：0.01-0.1%，O：0.06-0.15%，C：小于0.008%，N：小于0.006%，余量為Zr及其它雜質。

一種核動力堆芯結構材料用鋯基合金，按重量百分含量計，由下列成分組成：Sn：0.1-0.3%，Nb：1.0-1.35%，F(xiàn)e：0.01-0.15%，V：0.01-0.2%，Ni或Bi或Ge：0.01-0.1%，O：0.06-0.15%，C：小于0.008%，N：小于0.006%，余量為Zr及其它雜質。