一种兼具耐腐蚀和蠕变性能的核反应堆燃料包壳用锆基合金及其制备锆基合金管材的方法技术

本发明专利技术公开了一种兼具耐腐蚀和蠕变性能的核反应堆燃料包壳用锆基合金及其制备锆基合金管材的方法，所述锆基合金由以下质量百分比的成分组成：Nb为0.2％～2.0％，V为0.005％～0.11％，Fe为0.014％～0.5％，O为0.08％～0.16％，S为0.0015％～0.03％，C≤70ppm，Si≤70ppm，Ti≤40ppm，N≤35ppm，且该锆基合金中V与Fe的质量比为1：(2～3)，余量为Zr及不可避免的杂质。本发明专利技术锆基合金制备的管材，经过实际验证，不但具有优良的耐腐蚀性能，而且具备优良的蠕变性能。良的蠕变性能。

Zirconium base alloy for nuclear reactor fuel cladding with both corrosion resistance and creep resistance and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种兼具耐腐蚀和蠕变性能的核反应堆燃料包壳用锆基合金及其制备锆基合金管材的方法


[0001]本专利技术属于核反应堆用结构材料锆基合金材料
，具体涉及一种兼具耐腐蚀和蠕变性能的核反应堆燃料包壳用锆基合金及其制备锆基合金管材的方法。

技术介绍

[0002]核能作为“清洁低碳、安全高效”的现代能源已成为现代能源体系中的重要组成部分，“十九大”报告中将能源发展纳入生态文明建设的重要内容，2018年第九届世界清洁能源部长级会议明确将核能纳入清洁能源，我国核能高质量发展已步入战略机遇期，核能发展的瓶颈
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核电用锆材的自主化研究也迫在眉睫。
[0003]锆及其合金被广泛地应用于核动力反应堆中作为结构部件和燃料包壳，这主要是由于锆具有低的热中子吸收截面，在高温水中有强的抗腐蚀性能和高的机械强度。在核反应堆中，提高核燃料的燃耗是降低核电成本的有效途径，而对于压水堆，进一步提高燃耗的主要限制因素是燃料包壳锆合金的水侧腐蚀、吸氢及优良的力学性能。因此，这就对锆合金的抗腐蚀性能提出了更高的要求。
[0004]研究表面，现在及未来应用于核工业的锆合金将主要为三代锆合金和少量二代改进型锆合金且预计锆合金需求量超过每年3000吨。M5锆合金由于其优良的加工性能和核用性能而被广泛用于第三代核电机组中。因此，研究适用于产业化的自主化锆合金迫在眉睫，本申请通过研究不同元素对锆铌合金性能的影响，旨在找到适合工业化生产，且不降低Zr
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Nb系合金优异性能的元素，进而开发属于自己的自主化锆合金。参照世界锆合金发展趋势，秉承多元少量的锆合金化原则，在现有合金成分基础上调整合金元素的不同配比或添加其它种类合金元素，是开发新型锆合金的正确方向。
[0005]基于以上逻辑，本研究团队之前研发的一种耐腐蚀性能优良的核反应堆燃料包壳用锆基合金(专利号为CN105018795B)很好的解决了锆基合金在堆內反应的腐蚀问题，但是其蠕变性能却差强人意。锆合金作为燃料组件的包壳材料，在高温高压辐照环境下长期服役时，超过材料的临界蠕变速率，材料就会发生蠕变，可能会在氧化物/金属界面附近引起开裂，这种裂纹会向内扩展直达金属表面，从而引起材料破裂，造成辐照事故。因此，该锆基合金不能完全满足下一代压水堆型高燃耗的需求，本研究团队通过对该锆基合金的进一步研究，旨在开发出一种锆基合金能够同时兼备优良的耐腐蚀性能和优良的蠕变性能。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种兼具耐腐蚀和蠕变性能的核反应堆燃料包壳用锆基合金及其制备锆基合金管材的方法，该锆基合金不但具有优良的耐腐蚀性能，体现在将该合金浸入去离子水中，在温度为360℃，压力为18.6MPa的条件下腐蚀200天的腐蚀增重不大于70mg
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‑2；将该合金置于去离子水蒸汽氛围中，温度为500℃，压力为10.3MPa的条件下腐蚀500小时的腐蚀增重不大于310mg
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‑2；而且具备优良的蠕变
性能，使得该锆基合金具有优良的力学和加工性能，表面在400℃，压力分别为100MPa、117MPa、137MPa、157MPa，单轴拉伸蠕变试验时长大于200h，在350℃，压力分别为117MPa、137MPa、157MPa，单轴拉伸蠕变试验时长大于200h，在300℃，压力分别为117MPa、137MPa、157MPa，单轴拉伸蠕变试验时长大于200h。
[0007]本专利技术的目的是通过以下技术方案来解决的：
[0008]一种兼具耐腐蚀和蠕变性能的核反应堆燃料包壳用锆基合金，所述锆基合金由以下质量百分比的成分组成：Nb为0.2％～2.0％，V为0.005％～0.11％，Fe为0.014％～0.5％，O为0.08％～0.16％，S为0.0015％～0.03％，C≤70ppm，Si≤70ppm，Ti≤40ppm，N≤35ppm，且所述锆基合金中V与Fe的质量比为1：(2～3)，余量为Zr及不可避免的杂质；
[0009]所述锆基合金的耐腐蚀性能体现为：将所述锆基合金浸入去离子水中，在温度为360℃，压力为18.6MPa的条件下腐蚀200天，所述锆基合金的腐蚀增重小于等于70mg
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‑2；将所述锆基合金置于去离子水蒸汽氛围中，温度为500℃，压力为10.3MPa的条件下腐蚀500小时，所述锆基合金的腐蚀增重小于等于310mg
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‑2；所述锆基合金的蠕变性能体现为：在400℃，压力分别为100MPa、117MPa、137MPa、157MPa，单轴拉伸蠕变试验时长大于200h，在350℃，压力分别为117MPa、137MPa、157MPa，单轴拉伸蠕变试验时长大于200h，在300℃，压力分别为117MPa、137MPa、157MPa，单轴拉伸蠕变试验时长大于200h。
[0010]进一步地，所述锆基合金的原料包括核用海绵锆、锆铁钒合金、锆铌合金和硫化亚铁或者单质硫。
[0011]进一步地，所述锆基合金由以下质量百分比的成分组成：Nb为0.2％，V为0.05％，Fe为0.5％，O为0.16％，S为0.002％，C≤70ppm，Si≤70ppm，Ti≤40ppm，N≤35ppm，余量为Zr及不可避免的杂质。进一步地，所述锆基合金由以下质量百分比的成分组成：Nb为0.9％，V为0.11％，Fe为0.2％，O为0.09％，S为0.003％，C≤70ppm，Si≤70ppm，Ti≤40ppm，N≤35ppm，余量为Zr及不可避免的杂质。
[0012]进一步地，所述锆基合金由以下质量百分比的成分组成：Nb为2.0％，V为0.07％，Fe为0.15％，O为0.14％，S为0.0015％，C≤70ppm，Si≤70ppm，Ti≤40ppm，N≤35ppm，余量为Zr及不可避免的杂质。进一步地，所述锆基合金由以下质量百分比的成分组成：Nb为0.9％，V为0.01％，Fe为0.03％，O为0.16％，S为0.0035％，C≤70ppm，Si≤70ppm，Ti≤40ppm，N≤35ppm，余量为Zr及不可避免的杂质。
[0013]进一步地，所述锆基合金由以下质量百分比的成分组成：Nb为0.8％，V为0.04％，Fe为0.12％，O为0.08％，S为0.03％，C≤70ppm，Si≤70ppm，Ti≤40ppm，N≤35ppm，余量为Zr及不可避免的杂质。进一步地，所述锆基合金由以下质量百分比的成分组成：Nb为1.1％，V为0.005％，Fe为0.014％，O为0.09％，S为0.007％，C≤70ppm，Si≤70ppm，Ti≤40ppm，N≤35ppm，余量为Zr及不可避免的杂质。
[0014]一种锆基合金管材的制备方法，所述锆基合金管材的制备方法选择所述锆基合金为基础进行制备，具体包括以下步骤：
[0015]步骤一、按照锆基合金的成分选择原料，再将原料熔炼成锆铁钒中间合金和锆铌中间合金；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种兼具耐腐蚀和蠕变性能的核反应堆燃料包壳用锆基合金，其特征在于，所述锆基合金由以下质量百分比的成分组成：Nb为0.2％～2.0％，V为0.005％～0.11％，Fe为0.014％～0.5％，O为0.08％～0.16％，S为0.0015％～0.03％，C≤70ppm，Si≤70ppm，Ti≤40ppm，N≤35ppm，且所述锆基合金中V与Fe的质量比为1：(2～3)，余量为Zr及不可避免的杂质；所述锆基合金的耐腐蚀性能体现为：将所述锆基合金浸入去离子水中，在温度为360℃，压力为18.6MPa的条件下腐蚀200天，所述锆基合金的腐蚀增重小于等于70mg
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‑2；将所述锆基合金置于去离子水蒸汽氛围中，温度为500℃，压力为10.3MPa的条件下腐蚀500小时，所述锆基合金的腐蚀增重小于等于310mg
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‑2；所述锆基合金的蠕变性能体现为：在400℃，压力分别为100MPa、117MPa、137MPa、157MPa，单轴拉伸蠕变试验时长大于200h，在350℃，压力分别为117MPa、137MPa、157MPa，单轴拉伸蠕变试验时长大于200h，在300℃，压力分别为117MPa、137MPa、157MPa，单轴拉伸蠕变试验时长大于200h。2.根据权利要求1所述的一种兼具耐腐蚀和蠕变性能的核反应堆燃料包壳用锆基合金，其特征在于，所述锆基合金的原料包括核用海绵锆、锆铁钒合金、锆铌合金和硫化亚铁或者单质硫。3.根据权利要求1或2所述的一种兼具耐腐蚀和蠕变性能的核反应堆燃料包壳用锆基合金，其特征在于，所述锆基合金由以下质量百分比的成分组成：Nb为0.2％，V为0.05％，Fe为0.5％，O为0.16％，S为0.002％，C≤70ppm，Si≤70ppm，Ti≤40ppm，N≤35ppm，余量为Zr及不可避免的杂质。4.根据权利要求1或2所述的一种兼具耐腐蚀和蠕变性能的核反应堆燃料包壳用锆基合金，其特征在于，所述锆基合金由以下质量百分比的成分组成：Nb为2.0％，V为0.11％，Fe为0.2％，O为0.09％，S为0.003％，C≤70ppm，Si≤70ppm，Ti≤40ppm，N≤35ppm，余量为Zr及不可避免的杂质。5.根据权利要求1或2所述的一种兼具耐腐蚀和蠕变性能的核反应堆燃料包壳用锆基合金，其特征在于，所述锆基合金由以下质量百分比的成分组成：Nb为1.2％，...

【专利技术属性】
技术研发人员：石明华，周军，渠静雯，田锋，张建军，刘海明，吴方奇，王文生，
申请(专利权)人：西部新锆核材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：