專利名稱：一種耐超臨界水腐蝕的鋯合金材料的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種耐超臨界水腐蝕的鋯合金材料，屬特種合金材料配方及加工工藝
背景技術：
由于鋯的熱中子吸收截面非常小，并具有良好的耐高溫水腐蝕性能和力學性能，所以在水冷核動力反應堆中用作燃料元件的包殼材料。
隨著核電技術的發展，在2001年底，提出了第四代核反應堆的概念設計。在提出的六種不同的反應堆堆型中，超臨界水冷反應堆是最有希望實現應用的概念堆型之一。超臨界水冷反應堆是以現有已商業化的輕水反應堆和火力發電站的超臨界化石燃燒鍋爐技術為基礎，將冷卻水的工作參數提高到500～550℃和25MPa的超臨界狀態，可以采用直接循環的方式推動透平發電機發電，這不但簡化了核電站反應堆的結構，降低了核電站的建設投資和建設周期，還可以大大提高熱效率，由現在輕水堆的33％提高到45％。
在反應堆的堆芯中，高溫高壓超臨界水及中子輻射等惡劣的工況條件下，堆芯中的結構材料，特別是燃料元件包殼材料的選材和開發是一項具有挑戰性的工作。
在超臨界水冷反應堆工況條件下，現有的鋯合金材料不能滿足作為燃元件包殼材料的要求，需要研究開發更耐腐蝕的新型鋯合金材料。
據有關文獻資料及目前已有的鋯合金材料可以看出，目前已有牌號的鋯合金成分中一般都含有少量Nb、Sn、Cr、Fe等金屬元素。例如M5鋯合金含有1.0％的Nb；N36鋯合金含1.0％的Nb，1％的Sn，0.35％的Fe；N18鋯合金含有0.35％的Nb；2.5Nb鋯合金含有2.5％的Nb；Zr-4鋯合金含有1.5％的Sn，0.22％的Fe，0.1％的Cr；ZIRLO鋯合金含有1.0％的Nb，1.0％的Sn，0.1％的Fe；E635鋯合金含有1.0％的Nb，1.2％的Sn，0.4％的Fe。
發明內容
本發明的目的是提供一種耐超臨界高溫高壓水腐蝕的新型鋯合金材料及其制備方法。
本發明提供一種耐超臨界水腐蝕的鋯合金材料，其特征在于具有以下的成分(重量百分比)Zr 95.3～98.3％Nb 1.5～3.5％Cu 0.2～0.8％Fe 0.05～0.4％其余雜質含量應符合目前核用鋯合金的標準，對腐蝕性能有害的C、N雜質元素應作更嚴格的控制，C含量小于或等于150μg/g，N含量小于或等于50μg/g。
上述鋯合金材料的制備方法，其特征在于具有以下的制備過程和步驟a.用核級海綿鋯和核級純金屬原料按上述配方配料，壓制成電極后用真空自耗電弧爐熔煉成錠，為保證成分均勻，合金錠經鍛造加工重新制成電極，再進行一次熔煉，制成合金錠；b.上述合金錠可在850～1050℃的高溫下進行鍛造加工或擠壓制成坯材；但坯材需要再經過1020～1050℃β相加熱均勻化處理，然后進行淬火；c.坯材淬火后經多次冷軋，并在低于600℃下進行中間退火，制成管材或板材；最后制品經580℃再結晶退火處理，即制得一種耐超臨界水腐蝕的鋯合金材料。
本發明中所用的原料為核級海綿鋯及核級純金屬Nb、Cu和Fe。
本發明的制品在550℃、25MPa超臨界水中，具有較好的耐腐蝕性能，其耐腐蝕性能遠遠優于現有各種商品牌號的鋯合金。
圖1為本發明的鋯合金與其它已有商品牌號的鋯合金在550℃、25MPa超臨界水中的腐蝕增重曲線，可以看出本發明的材料制品在550℃、25MPa超臨界水中具有較好的耐腐蝕性能，其耐腐蝕性能遠遠優于現有各種商品牌號的鋯合金。
具體實施例方式
現將本發明的實施例具體敘述于后。
實施例1本實施例的制備過程和步驟如下鋯合金的成分(重量百分含量)為Zr 92.2％Nb 3.0％
Cu 0.5％Fe 0.2％其余雜質含量符合目前核用鋯合金的標準，對腐蝕性能有害的C、N雜質元素作了更嚴格的控制，C含量小于150μg/g，N含量小于50μg/g。
(1)用核級海綿鋯和核級純金屬原料按上述配方配料壓制成電極，采用真空自耗電弧爐進行兩次熔煉，制成合金錠；(2)將上述合金錠在850～1050℃進行鍛造或擠壓加工制成坯材；坯材再經過1020～1050℃β相加熱均勻化處理后淬火；(3)坯材淬火后經多次冷軋，并在低于600℃進行中間退火，制成板材；最后制品經過580℃再結晶退火處理，制得該鋯合金材料。
本發明實施例中的特點是，1)特殊的合金配方。2)坯材在β相加熱淬火后的后續加工過程中，所有的加熱溫度都不超過600℃，以有利于獲得細小彌散分布的第二相，這樣可進一步提高合金的耐腐蝕性能。
本實施例中所制得的鋯合金與其它已有各種商品牌號的鋯合金在相同的腐蝕條件下，即在550℃、25MPa超臨界水中的腐蝕試驗結果見附圖1。從附圖中可看出本發明的鋯合金的耐腐蝕性能大大優于已有商品牌號的鋯合金。
注本實施例未選用ZIRLO和E635合金進行腐蝕實驗對比，因為這兩種合金的成分與N36合金非常相近。
本發明與各種已有牌號鋯合金的平均成分(重量％)如下表所示
權利要求
1.一種耐超臨界水腐蝕的鋯合金材料，其特征在于具有以下的成分及重量百分含量Zr 95.3～98.3％Nb 1.5～3.5％Cu 0.2～0.8％Fe 0.05～0.4％其余雜質含量應符合目前核用鋯合金的標準，對腐蝕性能有害的C、N雜質元素應作更嚴格的控制，C含量小于或等于150μg/g，N含量小于或等于50μg/g。
2.權利要求1的一種耐超臨界水腐蝕的鋯合金材料的制備方法，其特征在于具有以下的制備過程和步驟a.用核級海綿鋯和核級純金屬原料按上述配方配料，壓制成電極后用真空自耗電弧爐熔煉成錠，為保證成分均勻，合金錠經鍛造加工重新制成電極，再進行一次熔煉，制成合金錠；b.上述合金錠可在850～1050℃的高溫下進行鍛造加工或擠壓制成坯材；但坯材需要再經過1020～1050℃β相加熱均勻化處理，然后進行淬火；c.坯材淬火后經多次冷軋，并在低于600℃下進行中間退火，制成管材或板材；最后制品經580℃再結晶退火處理，即制得一種耐超臨界水腐蝕的鋯合金材料。
全文摘要
本發明涉及一種耐超臨界水腐蝕的鋯合金材料，屬特種合金材料配方及加工工藝技術領域。本發明的鋯合金成分(重量百分含量)為Zr 95.3～98.3％，Nb 1.5～3.5％，Cu 0.2～0.8％，Fe 0.05～0.4％，其余雜質含量符合目前核用鋯合金的標準。該合金的制備過程和步驟如下(1)用核級海綿鋯和核級純金屬原料按上述配方配料并壓制成電極，采用真空自耗電弧爐進行兩次熔煉制成合金錠；(2)將合金錠在850～1050℃進行鍛造加工或擠壓制成坯材；再經1020～1050℃β相加熱均勻化處理后淬火；(3)坯材經多次冷軋，并在低于600℃進行中間退火，制成板材或管材；最后制品經580℃再結晶退火處理，即制得一種耐超臨界水腐蝕的鋯合金材料。
文檔編號C22F1/18GK1827813SQ20061002524
公開日2006年9月6日 申請日期2006年3月30日 優先權日2006年3月30日
發明者李強, 周邦新, 姚美意 申請人:上海大學