本發(fā)明涉及鐵基合金結(jié)構(gòu)材料及特種合金材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種耐事故核燃料組件結(jié)構(gòu)材料fecral基合金及其制備方法。
背景技術(shù)：
燃料元件是核動力反應(yīng)堆堆芯的核心部件，其性能直接關(guān)系到核反應(yīng)堆運行的安全性與經(jīng)濟(jì)性。鋯合金是目前商用核電輕水堆燃料元件唯一采用包殼材料。但在突發(fā)情況下(如日本福島核事故、壓水堆失水事故等)，鋯合金包殼與高溫冷卻劑水劇烈反應(yīng)，放出大量熱和爆炸氣體氫氣，導(dǎo)致包殼材料力學(xué)性能惡化，產(chǎn)生反應(yīng)堆氫爆與大量放射性產(chǎn)物外泄等核災(zāi)難性后果。為了滿足抗高溫水蒸氣氧化能力，世界核電大國對很多候選耐事故包殼材料進(jìn)行了大量的高溫氧化性能研究，最具有代表的包括zr-2、zr-4、sic、304ss、310ss、fecral基合金等材料。研究結(jié)果表明：fecral基合金具有良好的抗輻照性能、和良好的抗高溫氧化能力。
目前大多商用fecral基合金材料大多具有較高的cr、al含量(cr：15～30％,a：6～15％)，因此其抗高溫氧化性能較為顯著。但商用fecral基合金材料中因含有較高的cr、al含量使其在反應(yīng)堆運行工況熱時效和輻照條件下硬化和脆化程度嚴(yán)重，給反應(yīng)堆運行帶來重大安全隱患，較高cr、al含量的fecral基合金室溫力學(xué)塑性較差。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種新型的、具有良好綜合性能的核燃料組件包殼材料fecral基合金，本發(fā)明通過對現(xiàn)有fecral基合金的組分進(jìn)行調(diào)整改進(jìn)，使得fecral基合金不僅具有良好的抗高溫氧化性能，同時兼具高的高溫力學(xué)強(qiáng)度和較高的室溫塑韌性。
此外，本發(fā)明還提供上述fecral基合金的制備方法。通過本發(fā)明所述方法制備的fecral基合金還具有較高的高溫強(qiáng)度和組織熱穩(wěn)定性。
本發(fā)明通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)：
一種耐事故核燃料組件結(jié)構(gòu)材料fecral基合金，由以下組分組成：
cr，al，mo，nb，si，zr，ta，mn，la，c，n，o，fe，雜質(zhì)，其中，cr、al及si合金元素的總重量百分比含量為16.05％～20.2％，mo、nb、zr及ta合金元素的總重量百分比含量為3.15％～5.65％。
為了防止fecral基合金硬化及脆化傾向的加劇，造成合金在反應(yīng)堆運行及加工制備過程中斷裂，應(yīng)該在保證fecral基合金具有較高抗高溫蒸汽氧化能力基礎(chǔ)上嚴(yán)格控制并降低cr和al的含量。此外，含有適當(dāng)cr、al含量的fecral基合金作為反應(yīng)堆耐事故燃料包殼材料使用除了滿足上述性能要求外，還應(yīng)該具備如下性能：一是：室溫下合金具有較高強(qiáng)度和塑性，為薄壁包殼管材加工提供基礎(chǔ)；二是：在高溫下(不低于800℃)合金具有較高強(qiáng)度；三是：合金高溫組織比較穩(wěn)定，盡可能提高合金的再結(jié)晶溫度，使得合金在800℃以上具有較強(qiáng)的組織熱穩(wěn)定性并延遲合金晶粒尺寸長大，只有穩(wěn)定的組織和細(xì)化的晶粒才能帶來合金足夠的優(yōu)異性能。
本發(fā)明所述雜質(zhì)含量符合目前商用工業(yè)純鐵及鐵素體不銹鋼的標(biāo)準(zhǔn)。
本發(fā)明所述fecral基合金配方是對現(xiàn)有fecral基合金的改進(jìn)，在現(xiàn)有組分的基礎(chǔ)上增加了mo，nb，si，zr，ta，mn，la，同時對cr，al的含量進(jìn)行控制，降低cr，al的含量，以避免合金硬化及脆化傾向。
申請人通過長期研究試驗發(fā)現(xiàn)：在現(xiàn)有合金的基礎(chǔ)上只是降低cr，al的含量，雖然能夠避免合金硬化及脆化傾向，但是合金的抗高溫蒸汽氧化能力降低，且高溫強(qiáng)度和室溫韌性均不好。通過添加mo，nb，si，zr，ta，mn，la組分后，即使cr，al的含量降低了，也能保持很好的抗高溫蒸汽氧化能力，還能避免避免合金硬化及脆化傾向，并且同時具有較好的高溫強(qiáng)度和室溫韌性，通常，在合金中加入某種組分后，強(qiáng)度雖然會有所提高，但是相應(yīng)的韌性有下降，本申請通過同時加入mo，nb，si，zr，ta，mn，la，能夠同時兼具高溫強(qiáng)度和室溫韌性。
所述mo，nb，si，zr，ta，mn，la的具體加入量與fecral基合金的具體組成相關(guān)，本申請通過將cr、al及si合金元素的總重量百分比含量為16.05％～20.2％，不僅能夠持較好的抗高溫氧化性能，還能具有抗腐蝕性能，通過將mo、nb、zr及ta合金元素的總重量百分比含量為3.15％～5.65％，以便能夠在制備fecral基合金時析出大量彌散的laves第二相粒子，細(xì)化fecral基合金基體晶粒，顯著提高合金室溫下的強(qiáng)塑性，還可以明顯提高合金在高溫下的在再結(jié)晶溫度及高溫強(qiáng)度，使得合計在高溫下的組織穩(wěn)定性明顯改善。
本發(fā)明所述合金通過合理控制各個組分之間的比例，在此范圍內(nèi)的合金元素之間的相互作用，不僅能夠確保fecral基合金的抗高溫氧化性能，能夠避免cr、al含量過高導(dǎo)致的合金硬化及脆化傾向，同時兼具較高的高溫強(qiáng)度和室溫韌性?？稍诤藙恿Ψ磻?yīng)堆中用作燃料元件包殼、格架等堆芯結(jié)構(gòu)體的材料。
進(jìn)一步地，cr，al含量的總和與mo、nb、zr及ta含量總和的比值為3～4。
在該比例下，fecral基具有較好力學(xué)、高溫氧化等綜合性能，為后續(xù)材料加工制備奠定實現(xiàn)性基礎(chǔ)。
進(jìn)一步地，按重量百分含量計，由以下組分組成：
cr：12.5～14.5％，al：3.5～5.5％，mo：2～3％，nb：1～2％，si：0.05～0.2％，zr：0.1～0.4％，ta：0.05～0.25％，mn：0～0.1％，la：0.05～0.1％，c：≤0.008％，n：≤0.005％，o：≤0.003％，余量為fe和雜質(zhì)。
進(jìn)一步地，按重量百分含量計，由以下組分組成：
cr：12.5～13％，al：4.5～5.5％，mo：2～3％，nb：1～2％，si：0.05～0.2％，zr：0.1～0.4％，ta：0.05～0.25％，mn：0～0.1％，la：0.05～0.1％，c：≤0.008％，n：≤0.005％，o：≤0.003％，余量為fe和雜質(zhì)。
進(jìn)一步地，按重量百分含量計，由以下組分組成：
cr：12.5～14.5％，al：3.5～5.5％，mo：2.5％，nb：1.5％，si：0.1～0.2％，zr：0.2～0.4％，ta：0.15～0.25％，mn：0.1％，la：0.05～0.1％，c：≤0.008％，n：≤0.005％，o：≤0.003％，余量為fe和雜質(zhì)。
進(jìn)一步地，按重量百分含量計，由以下組分組成：
cr：13％，al：4.5％，mo：2.5％，nb：1.5％，si：0.15％，zr：0.3％，ta：0.2％，mn：0.1％，la：0.1％，c：≤0.008％，n：≤0.005％，o：≤0.003％，余量為fe和雜質(zhì)。
一種耐事故核燃料組件結(jié)構(gòu)材料fecral基合金的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
1)、將fecral基合金的配方按比例混合，熔煉制備鑄錠；
2)、上述鑄錠進(jìn)行高溫均勻化退火溫度，退火溫度大于等于1130℃，保溫時間大于等于3h；
3)、去除均勻化退火后鑄錠的表面氧化皮，將表面清潔處理后進(jìn)行高溫鍛造，始鍛溫度：大于等于1070℃，終鍛溫度：大于等于830℃，鍛造比大于等于1.9；
4)、去除鍛造后板材的表面氧化皮，將表面清潔處理后的板材進(jìn)行熱處理，熱處理過程為：750～800℃下處理1～3h；熱處理后進(jìn)行板材的熱軋，熱軋溫度小于等于840℃，材料變形量大于等于53％；
5)、將熱軋后的板材進(jìn)行熱時效處理，具體時效溫度為：700℃～800℃，時效時間為：20h～100h；
6)、將熱時效處理后的熱軋板材進(jìn)行冷軋，冷軋過程中的中間退火溫度及最后退火溫度小于等于735℃，冷軋變形量大于等于42％。
在本發(fā)明所述制備方法中，滿足以下兩個條件，一是：合金熱軋溫度不高于840℃，變形量不低于53％，且熱軋后材料需要在700℃～800℃時效20h～100h后方可冷軋；二是：合金冷軋過程中的中間退火溫度及最終退火溫度不高于735℃且變形量不低于42％。
本發(fā)明所述fecral基合金中的合金元素之間的相互作用，結(jié)合低溫軋制、長時間時效及熱處理等加工工藝，產(chǎn)生了非常好的效果：本發(fā)明合金經(jīng)低溫軋制、長時間時效及熱處理工藝加工后獲得了細(xì)小彌散分布的laves第二相，顯著提高了合金的力學(xué)性能(室溫強(qiáng)韌性及高溫強(qiáng)度)及合金組織的熱穩(wěn)定性。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下的優(yōu)點和有益效果：
1、本發(fā)明所述合金通過合理控制各個組分之間的比例，在此范圍內(nèi)的合金元素之間的相互作用，不僅能夠確保fecral基合金的抗高溫氧化性能，能夠避免cr、al含量過高導(dǎo)致的合金硬化及脆化傾向，同時兼具較高的高溫強(qiáng)度和韌性。
2、本發(fā)明所述合金結(jié)合低溫軋制、長時間時效及熱處理等加工工藝，獲得了細(xì)小彌散分布的laves第二相，顯著提高了合金的力學(xué)性能(室溫強(qiáng)韌性及高溫強(qiáng)度)及合金組織的熱穩(wěn)定性。
具體實施方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，下面結(jié)合實施例，對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，本發(fā)明的示意性實施方式及其說明僅用于解釋本發(fā)明，并不作為對本發(fā)明的限定。
實施例1：
一種耐事故核燃料組件結(jié)構(gòu)材料fecral基合金，按重量百分含量計，由以下組分組成：
cr：12.5，al：3.5％，mo：2％，nb：1％，si：0.05％，zr：0.1％，ta：0.05％，mn：0％，la：0.05％，c：0.008％，n：0.005％，o：0.003％，余量為fe和雜質(zhì)，其中，cr、al及si合金元素的總重量百分比含量為16.05％，mo、nb、zr及ta合金元素的總重量百分比含量為3.15％，所述cr，al含量的總和與mo、nb、zr及ta含量總和的比值為5.08。
實施例2：
一種耐事故核燃料組件結(jié)構(gòu)材料fecral基合金，按重量百分含量計，由以下組分組成：
cr：14.5％，al：5.5％，mo：3％，nb：2.0％，si：0.2％，zr：0.4％，ta：0.25％，mn：0.1％，la：0.1％，c：0.008％，n：0.005％，o：0.003％，余量為fe和雜質(zhì)，其中，cr、al及si合金元素的總重量百分比含量為20.2％，mo、nb、zr及ta合金元素的總重量百分比含量為5.65％，所述cr，al含量的總和與mo、nb、zr及ta含量總和的比值為3.5。
實施例3：
一種耐事故核燃料組件結(jié)構(gòu)材料fecral基合金，按重量百分含量計，由以下組分組成：
cr：13％，al：4.5％，mo：3％，nb：2％，si：0.2％，zr：0.4％，ta：0.1％，mn：0.1％，la：0.1％，c：0.008％，n：0.005％，o：0.003％，余量為fe和雜質(zhì)，其中，cr、al及si合金元素的總重量百分比含量為17.7％，mo、nb、zr及ta合金元素的總重量百分比含量為5.5％，所述cr，al含量的總和與mo、nb、zr及ta含量總和的比值為3.2。
實施例4：
一種耐事故核燃料組件結(jié)構(gòu)材料fecral基合金，按重量百分含量計，由以下組分組成：
cr：14.5％，al：5.5％，mo：2％，nb：1.0％，si：0.1％，zr：0.1％，ta：0.1％，mn：0.1％，la：0.1％，c：0.008％，n：0.005％，o：0.003％，余量為fe和雜質(zhì)，其中，cr、al及si合金元素的總重量百分比含量為20.1％，mo、nb、zr及ta合金元素的總重量百分比含量為3.2％，所述cr，al含量的總和與mo、nb、zr及ta含量總和的比值為6.25。
實施例5：
一種耐事故核燃料組件結(jié)構(gòu)材料fecral基合金，按重量百分含量計，由以下組分組成：
cr：13％，al：5％，mo：2.5％，nb：1.5％，si：0.15％，zr：0.3％，ta：0.2％，mn：0.1％，la：0.1％，c：≤0.008％，n：≤0.005％，o：≤0.003％，余量為fe和雜質(zhì)，其中，cr、al及si合金元素的總重量百分比含量為17.65％，mo、nb、zr及ta合金元素的總重量百分比含量為4.5％，所述cr，al含量的總和與mo、nb、zr及ta含量總和的比值為3.9。
實施例1至實施例5的制備方法如下：
包括以下步驟：
1)、用工業(yè)純鐵和純度大于99.9％的高純合金按實施例的配方配料，用真空感應(yīng)熔煉爐熔煉制備20～30千克鑄錠；
2)、上述鑄錠進(jìn)行高溫均勻化退火溫度，退火溫度大于等于1130℃，保溫時間大于等于3h；
3)、去除均勻化退火后鑄錠的表面氧化皮，將表面清潔處理后進(jìn)行高溫鍛造，始鍛溫度：大于等于1070℃，終鍛溫度：大于等于830℃，鍛造比大于等于1.9；
4)、去除鍛造后板材的表面氧化皮，將表面清潔處理后的板材進(jìn)行熱處理，熱處理過程為：750～800℃下處理1～3h；熱處理后進(jìn)行板材的熱軋，熱軋溫度小于等于840℃，材料變形量大于等于53％；
5)、將熱軋后的板材進(jìn)行熱時效處理，具體時效溫度為：700℃～800℃，時效時間為：20h～100h；
6)、將熱時效處理后的熱軋板材進(jìn)行冷軋，冷軋過程中的中間退火溫度及最后退火溫度小于等于735℃，冷軋變形量大于等于42％。
對比例1#：
一種fecral基合金，按重量百分含量計，由以下組分組成：
cr：14.5％，al：5.5％，c：0.008％，n：0.005％，o：0.003％，余量為fe和雜質(zhì)。
對比例1#與實施例2的區(qū)別在于，不含mo：3％，nb：2.0％，si：0.2％，zr：0.4％，ta：0.25％，mn：0.1％，la：0.1％。
對比例2#：
一種fecral基合金，按重量百分含量計，由以下組分組成：
cr：14.5％，al：5.5％，mo：3％，nb：2.0％，c：0.008％，n：0.005％，o：0.003％，余量為fe和雜質(zhì)。
對比例2#與實施例2的區(qū)別在于，不含si：0.2％，zr：0.4％，ta：0.25％，mn：0.1％，la：0.1％。
對比例3#：
一種fecral基合金，按重量百分含量計，由以下組分組成：
cr：14.5％，al：5.5％，si：0.2％，zr：0.4％，ta：0.25％，mn：0.1％，la：0.1％，c：0.008％，n：0.005％，o：0.003％，余量為fe和雜質(zhì)。
對比例3#與實施例2的區(qū)別在于，不含mo：3％，nb：2.0％。
對比例4#：
一種耐事故核燃料組件結(jié)構(gòu)材料fecral基合金，按重量百分含量計，由以下組分組成：
cr：18％，al：8％，mo：3％，nb：2.0％，si：0.2％，zr：0.4％，ta：0.25％，mn：0.1％，la：0.1％，c：0.008％，n：0.005％，o：0.003％，余量為fe和雜質(zhì)。
對比例4#與實施例2的區(qū)別在于，cr：18％，al：8％，即cr、al含量高于實施例2。
對比例5#：
一種耐事故核燃料組件結(jié)構(gòu)材料fecral基合金，按重量百分含量計，由以下組分組成：
cr：8％，al：2.5％，mo：3％，nb：2.0％，si：0.2％，zr：0.4％，ta：0.25％，mn：0.1％，la：0.1％，c：0.008％，n：0.005％，o：0.003％，余量為fe和雜質(zhì)。
對比例5#與實施例2的區(qū)別在于，cr：8％，al：2.5％，即cr、al含量低于實施例2。
將實施例1至實施例5，對比例1#至5#進(jìn)行抗高溫氧化性能測試、高溫強(qiáng)度測試、室溫韌性測試，測試結(jié)果如表1、表2所示：
表1實施例1至實施例5，對比例1#至5#的配方
表2施例1至實施例5，對比例1#至5#的效果對比
由表2的實驗數(shù)據(jù)可知：
實施例1至實施例5均具有良好的抗高溫氧化性能和熱穩(wěn)定性，同時兼具較好的高溫強(qiáng)度和室溫韌性。
其中，實施例2、4、5的效果優(yōu)于實施例1、3。
由實施例1至實施例5與對比例1#-3#對比可知：單純降低cr，al的含量，不僅抗高溫氧化性能降低，而且高溫強(qiáng)度也降低。
由實施例1至實施例5與對比例4#對比可知：當(dāng)微量元素的含量不變時，增加cr，al的含量，會導(dǎo)致韌性降低。
由實施例1至實施例5與對比例5#對比可知：當(dāng)微量元素的含量不變時，減少cr，al的含量，會導(dǎo)致抗高溫氧化性能降低。
以上所述的具體實施方式，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施方式而已，并不用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。