[發明專利]一種FeCrAl基合金包殼材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201710391105.8
• 申請日: 2017-05-27
• 公開（公告）號: CN106995902B
• 公開（公告）日: 2019-06-07
• 發明（設計）人: 張瑞謙;王輝;潘錢付;劉超紅;陶濤;杜沛南;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;C22C38/22;C22C38/26;C21D1/26;C21D8/02;C21D6/00
• 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

本發明公開了一種FeCrAl基合金包殼材料及其制備方法，FeCrAl基合金包殼材料由以下組分組成，Cr、AI、Mo、Nb、Ta、Ce、C、N、O、Fe、雜質，其中，Cr、AI合金元素的總重量百分比為大于等于16％，Mo、Nb、Ta合金元素的總重量百分比為大于等于3.1％，Ce合金元素的總重量百分比為：0.05～0.1％，本發明所述的FeCrAl基合金，可有效提高合金室溫力學性能及高溫強度，且FeCrAl基合金中合金元素之間相互作用，使合金材料具有優良的耐高溫水蒸氣氧化性能、輻照性能，在8000℃高溫下合金材料具有較高的高溫強度和組織熱穩定性，并在室溫下具有較高的力學強度和合適加工的塑性。

技術領域

本發明屬于鐵基合金結構材料及特種合金材料技術領域，具體是指一種FeCrAl基合金包殼材料及其制備方法。

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。所以，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，能夠在一定時間內提供更大安全余量以及避免潛在的嚴重堆芯融化事故，也稱為耐事故包殼材料。

耐事故包殼材料要求其能在800—1000℃左右蒸汽環境中幾個小時內保持一個很低的氧化速率，至少比鋯合金低2個數量級，同時該包殼材料在不低于800℃的高溫條件下具有滿足短周期可靠性的力學強度，這樣才可以在超過設計基本事故時提高堆芯事故的安全裕量。在這種強烈需求背景的推動下，世界核電大國對很多候選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。

目前大多商用的FeCrAl基合金材料大多具有較高的Cr、Al含量((Cr：15～30％,Al：6～15％)，因此其抗高溫氧化性能較為顯著。但商用的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的安全隱患。不僅如此，較高的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。

基于此，研究并開發設計一種FeCrAl基合金包殼材料及其制備方法。

發明內容

本發明的目的在于：提供一種FeCrAl基合金包殼材料，在基體中加入特定比例的Mo、Nb、Ta微合金化元素，并降低Cr、Al的含量，解決了現有商用FeCrAl基合金材料在反應堆運行工況熱失效和輻照條件下硬化和脆化嚴重，室溫力學塑性較差等技術問題。

本發明的另一目的在于：提供一種FeCrAl基合金材料的制備方法，通過對合金元素含量、加工工藝的控制，使得FeCrAl基合金材料具有較高的高溫強度和組織穩定性，在室溫下具有很高的力學強度和合適加工的塑性。

本發明通過下述技術方案實現：

一種FeCrAl基合金包殼材料，按重量百分含量計，由以下組分組成，Cr、AI、Mo、Nb、Ta、Ce、C、N、O、Fe、雜質，其中，Cr、AI合金元素的總重量百分比為大于等于16％，Mo、Nb、Ta合金元素的總重量百分比為大于等于3.1％，Ce合金元素的總重量百分比為：0.05～0.1％。