[發明專利]一種耐事故核燃料組件結構材料FeCrAl基合金及其制備方法

有效

• 申請號: 201710391070.8
• 申請日: 2017-05-27
• 公開（公告）號: CN107142423B
• 公開（公告）日: 2019-06-07
• 發明（設計）人: 劉超紅;王輝;張瑞謙;潘錢付;蔣明忠;陶濤;陳勇
• 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;C22C38/22;C22C38/26;C22C38/28;C22C38/04;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: 唐邦英

本發明公開了一種耐事故核燃料組件結構材料FeCrAl基合金及其制備方法，所述合金由以下組分組成：Cr，Al，Mo，Nb，Si，Zr，Ta，Mn，La，C，N，O，Fe，雜質，其中，Cr、Al及Si合金元素的總重量百分比含量為16.05％～20.2％，Mo、Nb、Zr及Ta合金元素的總重量百分比含量為3.15％～5.65％。本發明所述合金通過合理控制各個組分之間的比例，在此范圍內的合金元素之間的相互作用，不僅能夠確保FeCrAl基合金的抗高溫氧化性能，能夠避免Cr、Al含量過高導致的合金硬化及脆化傾向，同時兼具較高的高溫強度和韌性。

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燃料組件結構材料FeCrAl基合金及其制備方法。

背景技術

燃料元件是核動力反應堆堆芯的核心部件，其性能直接關系到核反應堆運行的安全性與經濟性。鋯合金是目前商用核電輕水堆燃料元件唯一采用包殼材料。但在突發情況下(如日本福島核事故、壓水堆失水事故等)，鋯合金包殼與高溫冷卻劑水劇烈反應，放出大量熱和爆炸氣體氫氣，導致包殼材料力學性能惡化，產生反應堆氫爆與大量放射性產物外泄等核災難性后果。為了滿足抗高溫水蒸氣氧化能力，世界核電大國對很多候選耐事故包殼材料進行了大量的高溫氧化性能研究，最具有代表的包括Zr-2、Zr-4、SiC、304SS、310SS、FeCrAl基合金等材料。研究結果表明：FeCrAl基合金具有良好的抗輻照性能、和良好的抗高溫氧化能力。

目前大多商用FeCrAl基合金材料大多具有較高的Cr、Al含量(Cr：15～30％,A：6～15％)，因此其抗高溫氧化性能較為顯著。但商用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，較高Cr、Al含量的FeCrAl基合金室溫力學塑性較差。

發明內容

本發明的目的在于提供一種新型的、具有良好綜合性能的核燃料組件包殼材料FeCrAl基合金，本發明通過對現有FeCrAl基合金的組分進行調整改進，使得FeCrAl基合金不僅具有良好的抗高溫氧化性能，同時兼具高的高溫力學強度和較高的室溫塑韌性。

此外，本發明還提供上述FeCrAl基合金的制備方法。通過本發明所述方法制備的FeCrAl基合金還具有較高的高溫強度和組織熱穩定性。

本發明通過下述技術方案實現：

一種耐事故核燃料組件結構材料FeCrAl基合金，由以下組分組成：

Cr，Al，Mo，Nb，Si，Zr，Ta，Mn，La，C，N，O，Fe，雜質，其中，Cr、Al及Si合金元素的總重量百分比含量為16.05％～20.2％，Mo、Nb、Zr及Ta合金元素的總重量百分比含量為3.15％～5.65％。

為了防止FeCrAl基合金硬化及脆化傾向的加劇，造成合金在反應堆運行及加工制備過程中斷裂，應該在保證FeCrAl基合金具有較高抗高溫蒸汽氧化能力基礎上嚴格控制并降低Cr和Al的含量。此外，含有適當Cr、Al含量的FeCrAl基合金作為反應堆耐事故燃料包殼材料使用除了滿足上述性能要求外，還應該具備如下性能：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：在高溫下(不低于800℃)合金具有較高強度；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，只有穩定的組織和細化的晶粒才能帶來合金足夠的優異性能。

本發明所述雜質含量符合目前商用工業純鐵及鐵素體不銹鋼的標準。

本發明所述FeCrAl基合金配方是對現有FeCrAl基合金的改進，在現有組分的基礎上增加了Mo，Nb，Si，Zr，Ta，Mn，La，同時對Cr，Al的含量進行控制，降低Cr，Al的含量，以避免合金硬化及脆化傾向。