[發明專利]一種耐腐蝕FeCrAl包殼及其制備方法

在審

• 申請號: 202211427695.2
• 申請日: 2022-11-15
• 公開（公告）號: CN115896620A
• 公開（公告）日: 2023-04-04
• 發明（設計）人: 尹泓卜;高士鑫;陳平;張瑞謙;杜沛南;段振剛;裴靜遠;周毅;鐘運濤;尹春雨;侯維;楊青峰;徐祺;何梁;王玉容;孫志鵬;潘錢付
• 申請（專利權）人: 中國核動力研究設計院
• 主分類號: C22C38/02
• 分類號: C22C38/02;C22C38/06;C22C38/22;B21B3/02;B21B23/00;B21J1/02;B21J5/00;B22F10/28;B22F10/64;C21D1/26;C21D8/10;C22C33/04
• 代理公司: 核工業專利中心 11007
• 代理人: 陳曉菲

本發明屬于核電站用核反應堆燃料元件包殼材料技術領域，具體涉及一種耐腐蝕FeCrAl包殼及其制備方法。本發明通過適當控制的Cr、Al等主元素和優選Mo、Si、W、Y等微合金化元素的成分，采用小變形、多道次的加工方法或3D打印技術，制備具有優良抗腐蝕性能、抗高溫氧化性能、抗輻照性能，且缺陷少、力學性能滿足耐事故燃料要求的FeCrAl合金包殼。此種包殼管克服了現有FeCrAl合金包殼管存在的輻照脆化嚴重、加工困難的問題，且可實現其大規模工業化生產。

技術領域

本發明屬于核電站用核反應堆燃料元件包殼材料技術領域，具體涉及一種耐腐蝕FeCrAl包殼及其制備方法。

背景技術

現有UO₂-鋯合金燃料體系在抵抗嚴重事故性能方面的不足。世界各國相繼提出開發耐事故(ATF)包殼材料，以滿足嚴重事故下輕水堆(LWRs)中的極端工況。FeCrAl合金因其表現出優異的耐事故性能，具體包括高溫氧化性能、良好的化學相容性和良好的力學性能(尤其是在事故工況的高溫條件下)等，而被視為ATF包殼選型的重要方案之一。

目前，阻礙FeCrAl合金在ATF包殼材料上進一步大規模應用主要有以下問題：

專利(CN107058872)中采用了變形量＞55％的熱軋和變形量＞45％的冷軋工藝；專利(CN106995902)中采用了變形量≥70％的熱軋和變形量≥35％的冷軋工藝。眾所周知，FeCrAl合金的加工性能較差，當采用大變形量的加工方式生產其管材時往往會帶來其表面質量的降低和管材內缺陷的大量增加，進而使得?FeCrAl包殼管因缺陷未得到有效的控制而導致其成品率下降。

專利(CN201610888560)中，Cr含量≥20wt％時，合金存在較大的輻照脆性隱患，而Cr含量較低(尤其是＜10wt％)導致包殼管在PWR工況水環境下不能有效生成Cr₂O₃來抵抗長期腐蝕，因此應合理選擇合金中Cr的含量。如專利(CN?107177780)中Al含量≤5.5wt％，這會導致合金存在抗高溫氧化風險，又如專利(CN?16381448)中Al含量≥10wt％時則會帶來加工性能的下降等，因此應適當應合理選擇合金中Al的含量。總的來說，合金中主成分Cr和Al含量的配比不合理會導致因α’相析出而引起的輻照脆性增加且會降低其加工性能。結合本團隊前期相關工作的經驗，兼顧考慮耐腐蝕條件、加工性、α’相析出規律等對合金主成分元素進行合理優化，即Cr含量～11.0wt％，Al含量～6.0wt％。此外，某些微合金元素的不合理選擇，如專利(CN?107217205)和專利(CN?107142423)中，微合金元素Nb(1～2.5wt％)的過量加入會引入因Laves相而導致的合金延展性大幅降低。為解決該問題，結合本團隊前期相關工作的經驗，應選取合適的微合金元素優化、強化合金性能。少量添加Si(～0.2wt％)可提升其耐高溫氧化性能和力學性能；Mo(～2.0wt％)、W(～1.0wt％)元素起到固溶強化的作用，同時阻礙再結晶，從而提高拉伸性能并保持熱穩定性；Y(～0.05?wt％)可起到改善合金鑄造性能作用的同時也可起到固熔強化、細晶強化的作用。

要解決以上兩個主要問題需要通過以下途徑：一、選擇合理的加工方式以良好控制包殼管的缺陷；二、合理的選擇包殼管的成分使合金具有良好的耐腐蝕性和可加工性。

針對上述現有技術，亟須設計一種改進的耐腐蝕FeCrAl包殼及其制備方法，提高抗腐蝕性能、抗高溫氧化性能、加工性能和力學性能。

發明內容

本發明的主要目的是提供一種耐腐蝕FeCrAl包殼及其制備方法，有效控制FeCrAl包殼的缺陷，提高其抗腐蝕性能、抗高溫氧化性能、加工性能和力學性能等，進而提高其綜合服役性能表現，滿足耐事故燃料要求。

本發明所采取的技術方案為：

一種耐腐蝕FeCrAl包殼，以質量百分含量計，原料由下列成分組成：