[發(fā)明專利]一種耐蝕鋯合金及其鑄錠的制備方法和應(yīng)用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011175530.1
• 申請日: 2020-10-28
• 公開（公告）號: CN112281026B
• 公開（公告）日: 2022-03-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周宣;周軍;田鋒;嚴(yán)寶輝;袁波;石明華;李宇力;孫濤濤
• 申請（專利權(quán)）人: 西部新鋯核材料科技有限公司
• 主分類號: C22C16/00
• 分類號: C22C16/00;C22C1/03;G21C19/42
• 代理公司: 西安創(chuàng)知專利事務(wù)所 61213
• 代理人: 馬小燕

本發(fā)明公開了一種耐蝕鋯合金，由以下質(zhì)量百分含量的成分組成：Ti 1％～15％，Ta 0.05％～5％，Nb 0.05％～2％，O 0.05％～0.2％，N不超過0.01％，Ni不超過0.1％，Cu不超過0.01％，H不超過0.002％，其余為Zr和不可避免的雜質(zhì)；本發(fā)明還公開了一種制備耐蝕鋯合金的鑄錠的方法，將海綿鋯、海綿鈦和鋯鈮屑混壓成電極塊后布置在鋯鉭二元中間合金板材的兩側(cè)，焊接得到自耗電極進(jìn)行真空自耗熔煉，得到耐蝕鋯合金的鑄錠；本發(fā)明還提供了耐蝕鋯合金在乏燃料后處理設(shè)備中的應(yīng)用。本發(fā)明通過對各組分以及雜質(zhì)元素的控制，保證了鋯合金的耐腐蝕性能；本發(fā)明的方法保證了耐蝕鋯合金鑄錠的成分均勻性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于金屬材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種耐蝕鋯合金及其鑄錠的制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

至2020年7月，我國大陸地區(qū)并網(wǎng)發(fā)電的核電機(jī)組有47臺，總裝機(jī)容量約為45.5GWe，占我國電力總裝機(jī)容量的4％左右。目前，平均每臺百萬千萬的核電機(jī)組年消耗核燃料20噸～30噸，也就是說2020年我國新增的乏燃料(經(jīng)過輻射照射、使用過的核燃料)就在900噸～1400噸。按照我國目前核電在建15臺機(jī)組的情況，到2025年還將新增12GWe左右的裝機(jī)容量，預(yù)計(jì)屆時(shí)每年新增的乏燃料將達(dá)到1200噸～1800噸。即使依照我國目前核電數(shù)量(含在建)，核電在我國電力構(gòu)成中的占比遠(yuǎn)低于世界平均水平的10％，可以預(yù)見當(dāng)我國核電發(fā)展至世界平均水平時(shí)，年產(chǎn)生的乏燃料必然將超過2000噸，因此，乏燃料后處理需求愈發(fā)迫切。

目前，乏燃料后處理設(shè)備中使用耐蝕合金主要有不銹鋼、鈦、鋯。不銹鋼在后處理設(shè)備中應(yīng)用最為廣泛，但存在晶間腐蝕開裂、腐蝕速率相對較快的缺陷，世界上在運(yùn)行的幾個(gè)后處理廠都曾出現(xiàn)過不銹鋼材料腐蝕損壞而被迫停產(chǎn)的事故。鈦在濃硝酸中溶解速度遠(yuǎn)低于不銹鋼，但是在使用過程中，鈦與濃硝酸接觸面出現(xiàn)過大面積白色沉淀物，不利于服役，其耐濃硝酸腐蝕性能也低于鋯。而且鈦在濃硝酸中形成的氧化膜薄膜的厚度、穩(wěn)定性和耐磨性都不如鋯。加之，Ti35、Ti-5Ta等鈦合金制造成本較高，限制了其在后處理溶解器等關(guān)鍵設(shè)備上的應(yīng)用。

法國在乏燃料后處理方面處于世界領(lǐng)先地位，其UP1、UP2、UP3等后處理廠蒸發(fā)器和溶解器大量采用鋯合金作為耐蝕材料，UP2和UP3項(xiàng)目中已經(jīng)使用了超過100t的鋯材制設(shè)備和5000m的鋯管。2019年末，中法就800噸后處理項(xiàng)目達(dá)成總價(jià)值200億歐元的框架協(xié)議，我國800噸級后處理項(xiàng)目步入實(shí)質(zhì)階段。按照我國中長期核電規(guī)劃，我國后處理廠規(guī)模應(yīng)該不低于法國La Hague工廠，其中鋯合金的使用規(guī)模必將超過法國La Hague廠。

日本學(xué)者H.Nagano在研究(Corr.Sci.38(1996)781-791)中認(rèn)為，鋯(Zr)中添加鉭(Ta)元素可以使得鋯合金具有優(yōu)異的耐濃酸腐蝕能力的同時(shí)，提高鋯合金的抗應(yīng)力腐蝕能力。住友公司的專利EP0396821中公開了一種含Ta鋯合金，具有抗應(yīng)力腐蝕開裂能力，但該合金還需要Ti、Fe、Cr、M、W、V等合金元素，成分設(shè)計(jì)復(fù)雜，而且Cr元素飽和蒸氣壓較低，W、Ta元素熔點(diǎn)較高，合金成分均勻性控制難度較大，制造成本也相對較高。此外，純金屬Ta熔點(diǎn)為2996℃，而純金屬Zr的熔點(diǎn)為1852℃，二者熔點(diǎn)相差極大，直接將這兩種純金屬混合后熔煉，很難保證Ta在Zr中的均勻性。因此，含鉭鋯合金的鑄錠制備是鋯鉭合金應(yīng)用的難點(diǎn)。為此，本發(fā)明公開了一種耐蝕含鉭鋯合金及其鑄錠制備方法，以降低鋯合金的應(yīng)用成本。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種耐蝕鋯合金。該鋯合金通過對Ti、Ta、Nb和O組分以及雜質(zhì)元素的質(zhì)量含量的控制，大幅提高了鋯合金的強(qiáng)度以及抗應(yīng)力腐蝕開裂能力，保證了鋯合金的耐腐蝕性能，降低了鋯合金成本，減少了雜質(zhì)元素對鋯合金的耐腐蝕性能和力學(xué)性能的不良影響。