本发明专利技术提出了一种核反应堆燃料包壳及包壳涂层用的FeCrSi合金材料及热处理方法，该FeCrSi合金材料的合金元素质量占总质量的百分比为：8.0％≤Cr≤25.0％,0.5％≤Si≤5.0％,0.1％≤Al≤5.0％,0.1％≤Mo≤5.0％,0.1％≤Nb≤5.0％,0.01％≤Y≤1.0％,0.1％≤W+V+Ta+Zr≤0.5％,C≤500ppm,N≤500ppm,O≤500ppm,P≤100ppm,S≤100ppm,余量为Fe；对经过铸造、均匀化热处理、锻造、热轧后的上述FeCrSi合金的进行时效和退火处理；均匀化热处理工艺为1150±50℃下保温24‑48h，时效热处理工艺为820±20℃下保温24～72h，退火热处理包括720±10℃下保温4～8h；FeCrSi合金材料在高温水蒸气环境中具有优异的抗氧化性能。该FeCrSi合金可以用于制备核燃料元件包壳管，锆合金的涂层，钼合金的涂层，核燃料包壳管的涂层等堆芯结构部件。
【技术实现步骤摘要】
一种核反应堆燃料包壳及包壳涂层用的FeCrSi合金材料及热处理方法
本专利技术涉及核燃料包壳材料
，具体而言，本专利技术涉及一种的核反应堆燃料包壳及包壳涂层用的FeCrSi合金材料及热处理方法。
技术介绍
反应堆的堆芯环境异常极端，核燃料包壳长期处于高温、高压、腐蚀等环境中，同时还面临强中子辐照，因此核燃料包壳材料需要较好的耐腐蚀性和抗辐照性。传统核电站中，常使用锆合金作为燃料包壳。然后，该反应堆燃料包壳(锆合金)在事故工况下(如福岛核事故)会与高温水蒸汽发生剧烈的氧化反应并产生大量的氢气，释放大量的热量，最终可以导致反应堆堆芯熔化或氢气爆炸。相较于传统的UO2-Zr核燃料体系，事故容错燃料可以在反应堆正常运行工况下保持或者提高燃料的性能，而且在事故发生后的相当长的一段时间内能够维持堆芯的完整性，这样就可以赢得足够的时间裕量来采取应对措施。目前，能够代替锆合金的事故容错燃料包壳材料可分为陶瓷类和金属类两类：陶瓷类以SiC/SiC复合材料为主要代表；金属类以Fe基合金FeCrAl材料和难熔金属Mo及其合金为主要代表。难熔金属Mo及其合金的抗辐照性和综合力学性能较好，但是其抗腐蚀性较差。SiC本身存在脆性等缺陷，而且其连接密封性和加工制造等方面还有待探索。FeCrAl合金的研在热学性能和力学性能等方面表现较好，但其抗腐蚀性能和抗辐照性能还有待进一步改进，而且其最终的成分还未能确定。一般认为，事故容错燃料的包壳必须满足以下三个基本要求：第一，满足所有的燃料设计、性能和可靠性的要求；第二，在正常运行工况及高温下能够维持反应堆堆芯的冷却能力以及堆芯的完整性；第三，在事故工况下具有较强的抗水蒸汽氧化的能力，并且能够在相当大的程度上减少氢气的产生从而避免氢爆的发生。比如，事故容错燃料或者事故容错燃料的包壳材料必须能够在800-1200℃的水蒸气环境中一定时间内保持较低的氧化速率，同时具有一定的满足设计要求的力学性能，从而为堆芯事故的处理提供安全裕量。事故容错燃料包壳材料选择的依据为LOCA工况下核燃料包壳材料的抗水蒸气氧化能力及热冲击下的完整性。其中，抗高温水蒸气氧化能力是其最重要的指标之一。然而，目前核电站用的燃料包壳材料商用Zr合金的抗高温水蒸气氧化的能力较差。由于在典型的压水堆结构中，燃料-包壳体系面临异常复杂的工况，现有的FeCrAl合金不能完全适用于反应堆中的包壳系统。
技术实现思路
本专利技术旨在至少在一定程度上解决上述技术问题。为此，本专利技术的一个目的在于提出一种具有良好的抗高温氧化性能的核燃料包壳及包壳涂层用的FeCrSi合金材料及热处理方法。为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种核反应堆燃料包壳及包壳涂层用的FeCrSi合金材料，该FeCrSi合金材料的合金元素质量占总质量的百分比为：8.0％≤Cr≤25.0％,0.5％≤Si≤5.0％,0.1％≤Al≤5.0％,0.1％≤Mo≤5.0％,0.01％≤Y≤1.0％,0.1％≤W+V+Ta+Zr≤0.5％,C<0.005％,N<0.005％,O<0.005％,P<0.005％,S<0.005％,余量为Fe。优选地，上述核反应堆燃料包壳及包壳涂层用的FeCrSi合金材料，该FeCrSi合金材料的合金元素质量占总质量的百分比为：8.0％≤Cr≤25.0％,0.5％≤Si≤5.0％,0.1％≤Al≤5.0％,0.1％≤Mo≤5.0％,0.1％≤Nb≤5.0％,0.01％≤Y≤1.0％,0.1％≤W+V+Ta+Zr≤0.5％,C≤500ppm,N≤500ppm,O≤500ppm,P≤100ppm,S≤100ppm,余量为Fe。由此可以使得核反应堆燃料包壳及包壳涂层用的FeCrSi合金材料综合性能得到显著提高。Cr可以显著提高材料的强度和抗腐蚀能力。研究表明，Cr含量大于9％时对材料的抗腐蚀性能的改善比较明显。Si为钢中的重要的固溶强化元素。钢铁材料中的Si能显著改善其抗氧化性能和抗腐蚀能力。本专利技术实施例核反应堆燃料包壳及包壳涂层用的FeCrSi合金材料中含有Si可以改善低活化马氏体的抗腐蚀能力，由此使得低活化马氏体钢具有了良好的机械性能和抗氧化腐蚀能力。Al为固溶强化元素，加入一定量的Al可以在高温水蒸汽氧化中在合金表面会生成一层致密稳定的Al2O3氧化物，从而能够阻止合金被进一步氧化。加入Y的主要目的是减小高温水蒸气氧化环境下氧化物的生长速率，并提高其粘附性。加入Mo可以起到固溶强化和第二相强化的作用，而且可以细化晶粒，从而提高材料强度。W、V、Ta、Zr等微量元素作为固溶强化元素，能够显著提高所述FeCrSi合金材料的强度。上述FeCrSi合金可以用于制备核燃料元件包壳管，锆合金的涂层，钼合金的涂层，核燃料包壳管的涂层等堆芯结构部件。进一步优选地，所述核反应堆燃料包壳及包壳涂层用的FeCrSi合金材料，该FeCrSi合金材料的合金元素质量占总质量的百分比为：Cr16.76％,Si2.05％,Al1.38％,Mo2.32％,Y0.28％,W0.09％,V0.26％,Ta0.11％,Zr0.02％,C276ppm,N319ppm,O357ppm,P91ppm,S86ppm,余量为Fe。本专利技术在该合金成分的基础上，进一步添加了Nb作为合金元素。Nb的优点是热中子吸收界面小，而且能够提高合金的抗腐蚀能力，同时还可以起到固溶强化和第二相强化的作用，从而可以提高材料的强度。进一步优选地，所述核反应堆燃料包壳及包壳涂层用的FeCrSi合金材料，该FeCrSi合金材料的合金元素质量占总质量的百分比为：Cr19.24％,Si2.18％,Al2.69％,Mo2.21％,Nb2.65％,Y0.37％,W0.12％,V0.23％,Ta0.08％,Zr0.01％,C282ppm,N354ppm,O463ppm,P89ppm,S74ppm,余量为Fe。将Fe、Cr、Si、Al、Mo、Nb、Y、W、V、Ta、Zr等元素按照重量百分比混合，经过铸造、均匀化热处理、锻造、热轧后的上述FeCrSi合金的进行时效热处理和退火热处理制备得到相应成分的FeCrSi合金。均匀化热处理工艺为1150±50℃下保温24-48h后空冷至室温，时效热处理工艺为820±20℃下保温24～72h后空冷至室温，退火热处理为720±10℃下保温4～8h后空冷至室温。本专利技术提出的核反应堆燃料包壳及包壳涂层用的FeCrSi合金材料具有优异的综合性能，特别是在高温水蒸气氧化实验中表现出优异的抗氧化性能，能够达到事故容错的要求，是下一代核燃料包壳及包壳涂层材料的最佳选择之一。本专利技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。实施例1表1所示为本专利技术实施例1的FeCrSi合金的成分。表1中的1#试样及2#试样的制备过程如下。将Fe、Cr、Si、Al、Mo、Y、W、V、Ta、Zr等元素按照表中的重量百分比混合，经过铸造、均匀化热处理、锻造、热轧后的上述FeCrSi合金的进行时效热处理和退火热处理制备得到相应成分的FeCrSi本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种核反应堆燃料包壳及包壳涂层用的FeCrSi合金材料，其特征在于，该FeCrSi合金材料的合金元素质量占总质量的百分比为：8.0％≤Cr≤25.0％,0.5％≤Si≤5.0％,0.1％≤Al≤5.0％,0.1％≤Mo≤5.0％,0.01％≤Y≤1.0％,0.1％≤W+V+Ta+Zr≤0.5％,C<0.005％,N<0.005％,O<0.005％,P<0.005％,S<0.005％,余量为Fe。
【技术特征摘要】
1.一种核反应堆燃料包壳及包壳涂层用的FeCrSi合金材料，其特征在于，该FeCrSi合金材料的合金元素质量占总质量的百分比为：8.0％≤Cr≤25.0％,0.5％≤Si≤5.0％,0.1％≤Al≤5.0％,0.1％≤Mo≤5.0％,0.01％≤Y≤1.0％,0.1％≤W+V+Ta+Zr≤0.5％,C<0.005％,N<0.005％,O<0.005％,P<0.005％,S<0.005％,余量为Fe。2.根据权利要求1所述的核反应堆燃料包壳及包壳涂层用的FeCrSi合金材料，其特征在于，该FeCrSi合金材料的合金元素质量占总质量的百分比为：8.0％≤Cr≤25.0％,0.5％≤Si≤5.0％,0.1％≤Al≤5.0％,0.1％≤Mo≤5.0％,0.1％≤Nb≤5.0％,0.01％≤Y≤1.0％,0.1％≤W+V+Ta+Zr≤0.5％,C≤500ppm,N≤500ppm,O≤500ppm,P≤100ppm,S≤100ppm,余量为Fe。3.根据权利要求1所述的核反应堆燃料包壳及包壳涂层用的FeCrSi合金材料，其特征在于，该FeCrSi合金材料的...
【专利技术属性】
技术研发人员：柳文波，雒晓涛，恽迪，单建强，葛莉，吴攀，刘书焕，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61
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