[發明專利]一種耐事故核電燃料元件用FeCrAl基合金及其制備方法

有效

• 申請號: 201710390429.X
• 申請日: 2017-05-27
• 公開（公告）號: CN107142421B
• 公開（公告）日: 2019-05-21
• 發明（設計）人: 杜沛南;王輝;張瑞謙;潘錢付;劉超紅;陳勇;王曉敏
• 申請（專利權）人: 中國核動力研究設計院
• 主分類號: C22C38/06
• 分類號: C22C38/06;C22C38/02;C22C38/44;C22C38/48;C22C38/46;C21D8/00
• 代理公司: 成都行之專利代理事務所(普通合伙) 51220
• 代理人: 廖慧敏

本發明公開了一種耐事故核電燃料元件用FeCrAl基合金及其制備方法，解決了現有技術中FeCrAl基合金材料均無法滿足作為適用于燃料元件包殼、格架等堆芯結構體用要求的問題。本發明包括12.5～14.5wt％Cr、3.5～5.5wt％Al、1.5～3wt％Mo、1～3wt％Nb、0.1～0.3wt％Si、0.1～0.3wt％Ta、0.1～0.3wt％V，0～0.2wt％Ga、0.1～0.2wt％Ni、0.05～0.1wt％Ce、C≤0.008wt％、N≤0.005wt％、O≤0.003wt％，其余為Fe和不可避免雜質。本發明具有優異的抗高溫氧化性能、熱穩定性、力學性能等。

技術領域

本發明涉及鐵基合金結構材料及特種合金材料技術領域，具體涉及一種耐事故核電燃料元件用FeCrAl基合金，并公開了該FeCrAl基合金的制備方法。

背景技術

日本福島核事故后，要求下一代及未來先進核電壓水堆用燃料元件包殼材料與現用核電鋯合金包殼材料相比，必須具備更好的抗高溫水蒸氣氧化能力、高溫強度及高溫穩定性，能夠提供更大安全余量以及避免潛在的堆芯融化事故，也稱耐事故包殼材料。研究表明：FeCrAl基合金由于具有良好的抗輻照性能，且含有合適量Cr、Al、Si的FeCrAl合金的抗高溫氧化能力遠遠優于Zr-2、Zr-4、304SS、310SS合金，其抗高溫氧化性能和采用CVD方法制備的SiC材料基本相當，使其成為先進核電耐事故包殼材料研發中十分具有潛力的包殼材料。

但現有商用FeCrAl基合金材料中因含有較高的Cr、Al含量，使其在反應堆運行工況熱時效和輻照條件下硬化和脆化程度嚴重，給反應堆運行帶來重大安全隱患。不僅如此，較高Cr、Al含量的FeCrAl基合金室溫力學塑性較差，導致合金板材及薄壁管材加工困難。

因而，作為反應堆耐事故燃料包殼材料使用時，需要防止FeCrAl基合金硬化及脆化傾向的加劇，避免造成合金在反應堆運行及加工制備過程中斷裂，并且還需要達到以下性能：

一是：室溫下合金具有較高強度和塑性，為薄壁包殼管材加工提供基礎；二是：在800℃高溫下合金需具有較高強度；三是：合金高溫組織比較穩定，盡可能提高合金的再結晶溫度，使得合金在800℃以上具有較強的組織熱穩定性并延遲合金晶粒尺寸長大。

在現有FeCrAl基合金材料中，并沒有能夠達到適用于燃料元件包殼、格架等堆芯結構體用要求的材料。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是：現有技術中FeCrAl基合金材料均無法滿足作為適用于燃料元件包殼、格架等堆芯結構體用要求的問題，目的在于提供了一種耐事故核電燃料元件用FeCrAl基合金及其制備方法，在有效保證顯著抗高溫氧化性能的同時保證高韌性和耐高溫強度。

本發明通過下述技術方案實現：

一種耐事故核電燃料元件用FeCrAl基合金，包括：

12.5～14.5wt％Cr、3.5～5.5wt％Al、0.1～0.3wt％Si、1.5～3wt％Mo、1～3wt％Nb、0.1～0.3wt％Ta、0.1～0.3wt％V，0～0.2wt％Ga、0.1～0.2wt％Ni、0.05～0.1wt％Ce、C≤0.008wt％、N≤0.005wt％、O≤0.003wt％，其余為Fe和不可避免雜質。

在FeCrAl基合金材料中，本行業技術人員均知：如果Cr和Al的含量過高，雖然能有效提高抗高溫氧化性能、耐高溫強度，但會導致韌性降低；如果Cr和Al的含量過低，雖然能有效提高韌性，但會導致抗高溫氧化性能、耐高溫強度降低。而目前，現有技術中的商用FeCrAl基合金材料大多考慮抗高溫氧化性和強度的問題，因而具有較高的Cr、Al含量(Cr:15～30％,Al:6～15％)，雖然抗高溫氧化性能顯著，但由于含有較高的Cr、Al含量，導致室溫韌性降低，進而使合金在反應堆運行時容易時效硬化和輻照脆化，給反應堆運行帶來重大安全隱患。此外，較高Cr、Al含量使合金室溫力學塑性較差，導致合金管材加工困難。