[發明專利]一種反應堆用高強高塑鋯鈮合金及其制備方法

在審

• 申請號: 202310723746.4
• 申請日: 2023-06-19
• 公開（公告）號: CN116497247A
• 公開（公告）日: 2023-07-28
• 發明（設計）人: 鐘茜婷;邱龍時;馮靖凱;付金龍;宋佳星;田權偉
• 申請（專利權）人: 西安稀有金屬材料研究院有限公司
• 主分類號: C22C16/00
• 分類號: C22C16/00;C22C1/02;C22F1/18;G21F1/08
• 代理公司: 西安創知專利事務所 61213
• 代理人: 馬小燕

本發明公開了一種反應堆用高強高塑鋯鈮合金，由以下質量百分數的成分組成：Nb?2%~3.5%，余量為Zr及不可避免的雜質；鋯鈮合金具有超細板條α與連續網狀β結構；該鋯鈮合金的制備方法為：一、稱取核級鋯與Zr?Nb中間合金配料；二、壓制電極后真空自耗熔煉；三、鋸切扒皮后熱鍛；四、固溶處理；五、加熱保溫后壓縮變形。本發明的鋯鈮合金具有超細板條α與連續網狀β結構，提升鋯鈮合金的韌性和耐腐蝕性能，獲得高強高塑鋯鈮合金，滿足反應堆服役環境的苛刻要求；本發明通過熱處理和熱變形加工獲得板條狀α與晶界β組織，α晶粒尺寸細小且位錯密度高，賦予鋯鈮合金良好的綜合力學性能和耐腐蝕性能，且工藝簡單，有利于工業推廣。

技術領域

本發明屬于金屬加工技術領域，具體涉及一種反應堆用高強高塑鋯鈮合金及其制備方法。

背景技術

鋯鈮合金具有非常小的熱中子吸收截面，良好的耐腐蝕性、力學性能和加工性能，是核動力水反應堆結構件的主要材料，如燃料包殼、壓力管和容器管等，也是一種理想的化工結構材料。隨著我國核工業領域的不斷發展，核反應堆中結構件的服役環境愈加惡劣，對鋯鈮合金材料的各項性能提出了更高的要求，而這些性能又取決于合金的微觀結構，因此調控鋯鈮合金的微觀組織至關重要。

鋯鈮合金組織由不同的相與形貌組成，主要與合金成分與加工工藝相關。鋯鈮合金因Nb元素含量不同，室溫下可存在多種相組成，如α-Zr相、β-Zr相、β-Nb相、馬氏體α′等。因加工工藝不同，鋯鈮合金也呈現出多種組織形貌，如冷變形+高溫再結晶退火可制得等軸α+針狀/板條狀α的雙態組織，β相區淬火+高溫回火得到交叉針狀/板條狀α的網籃組織，冷變形+再結晶退火可制得等軸α組織，β相區退火得到平行針狀/板條狀α的魏氏體組織。

鋯鈮合金室溫下的穩定組織主要可分為雙態組織、網籃組織、等軸組織和魏氏組織，表現出不同的性能，其中雙態組織有高的塑性和沖擊韌性，網籃組織高溫斷裂韌性好，等軸組織塑性好，魏氏體組織斷裂韌性和蠕變抗力高。此外，鋯鈮合金中Nb以過飽和狀態存在于α-Zr中對耐腐蝕性不利，而以第二相形式存在對改善合金的耐腐蝕性能和力學性能都有重要作用。鋯鈮合金中等軸α主要提供塑性，針狀/板條狀α提供韌性，β相提高耐腐蝕性和力學性能。因此，可通過調控微觀組織制備具有耐腐蝕性能和綜合力學性能良好的鋯鈮合金。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于針對上述現有技術的不足，提供一種反應堆用高強高塑鋯鈮合金。該鋯鈮合金具有超細板條α與連續網狀β結構，通過超細板條α組織結構，提升鋯鈮合金的韌性，同時通過調控連續網狀β結構，同步提升鋯鈮合金耐腐蝕性能，獲得高強高塑鋯鈮合金，優化提升鋯鈮合金的綜合性能，以滿足反應堆服役環境的苛刻要求。

為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案為：一種反應堆用高強高塑鋯鈮合金，其特征在于，由以下質量百分數的成分組成：Nb?2%~3.5%，余量為Zr及不可避免的雜質；所述鋯鈮合金具有超細板條α與連續網狀β結構，鋯鈮合金的抗拉強度為738MPa~840MPa，延伸率為12.3%~25%。

另外，本發明還公開了一種制備如上述的反應堆用高強高塑鋯鈮合金的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

步驟一、配料：根據目標產物鋯鈮合金的名義成分，稱取表面無氧化皮且清洗干燥后的核級鋯與Zr-Nb中間合金作為原料進行配料；

步驟二、真空自耗熔煉：將步驟一中配好的原料分層放置后壓制為自耗電極，然后將自耗電極進行真空自耗熔煉，得到鋯鈮合金鑄錠；

步驟三、熱鍛：將步驟二中得到的鋯鈮合金鑄錠經鋸切扒皮進行熱鍛，空冷后得到鋯鈮合金鍛件；

步驟四、固溶處理：將步驟三中得到的鋯鈮合金鍛件進行固溶處理，水淬或油淬后得到全馬氏體α′組織的固溶態鋯鈮合金鍛件；

步驟五、熱變形；將步驟四中得到的固溶態鋯鈮合金鍛件加熱保溫后進行壓縮變形，水淬或油淬后得到鋯鈮合金。

上述的方法，其特征在于，步驟三中所述熱鍛的加熱溫度為1000℃~1050℃，保溫時間為0.5h~1h。