專利名稱：一種核壓水反應堆用鋯合金材料及其制備方法
技術領域：
本發明涉及鋯合金材料領域，尤其是涉及一種能核壓水反應堆用鋯合金材料及其制備方法。
背景技術：
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，因此在水冷核反應堆中鋯合金被廣泛用作燃料棒的包殼材料和核反應堆芯的結構元件。隨著核動力反應堆技術朝著提高燃料燃耗和降低燃料循環成本、提高反應堆熱效率、提高安全可靠性的方向發展，對關鍵核心部件燃料元件包殼材料鋯合金的抗腐蝕性能、吸氫性能、力學性能及輻照尺寸穩定性等性能提出了更高的要求。燃料元件在服役條件(輻照、高溫、高壓及復雜的應力)下，要發生蠕變和疲勞。蠕變性能是鋯合金在水冷動力堆中工作時要考慮的重要問題之一，國內外對鋯合金的蠕變進行了大量的研究。目前最成熟、應用最廣泛的是被稱之為ττ-l、合金的鋯合金，但隨著核燃料組件向長壽期、高燃耗方向的發展，要求作為反應堆結構材料的鋯基合金必須具有更好的耐蝕、抗蠕變、抗輻射生長等綜合性能，在這一點上ττ-l、Zr-4合金已不能滿足要求。近二十年來，壓水堆用鋯合金的研究趨勢是對已有材料的不斷改進和進行高性能新鋯合金的研究，總體思路是在系和&-Sn-Nb系合金的基礎上進行合金成分含量的調整以及添加其它合金元素，或者二者同時進行以達到提高合金整體性能的目的。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種核壓水反應堆用鋯合金材料，其綜合性能特別是抗腐蝕性能優異。本發明同時還要提供一種核壓水反應堆用鋯合金材料的制備方法，該方法所得核壓水反應堆用鋯合金材料的綜合性能特別是抗腐蝕性能優異。為解決以上技術問題，本發明采用的一種技術方案是
一種核壓水反應堆用鋯合金材料，以所述鋯基合金的總重量為基準，所述鋯基合金由如下組分組成:Nb 0. 2% 0. 5%、Sn 0. 3% 0. 5%、Cu 0. 1% 0. 4%、0 0. 06% 0. 14%、 C ( IOOppm, N ( 80ppm 以及 Zr 余量。優選地，所述鋯基合金中，Nb與Sn的含量之和在0. 8% 1. 0%之間。根據本發明的一個方面，所述鋯基合金的組成為Nb 0. 4%、Sn 0. 4%、Cu 0. 1%、0 0. 06% 0. 14%、C 彡 IOOppm, N 彡 80ppm 以及 Zr 余量。根據本發明的又一方面，所述鋯基合金的組成為Nb 0. 4%、Sn 0. 4%、Cu 0. 3%、0 0. 06% 0. 14%、C 彡 IOOppm, N 彡 80ppm 以及 Zr 余量。上述合金配方中，C和N為從原料中帶來的不可避免的雜質，本領域的一般技術人員應當了解，上述合金配方中可能還包括的一些從原料中帶來的其它不可避免的雜質成分，這些雜質成分以不可避免的量存在時不會對本發明鋯合金造成不利影響。
本發明采取的又一技術方案是上述的核壓水反應堆用鋯合金材料的制備方法， 其包括如下步驟
(1)合金錠的熔煉將核級海綿鋯與配方量的&-Nb、Zr-Sn中間合金及Cu單質用真空非自耗電弧爐熔化在扣式成形模具中，反復熔煉4 6次，確保熔煉均勻得合金錠；
(2)熱壓將步驟(1)所得合金錠置于650°C 700°C預熱30分鐘，用230 ^OKN油壓機熱壓，經三種大小不同的模具熱壓制成坯材，熱壓后用砂輪機打磨除去加熱過程產生的氧化皮及熱壓過程中形成的裂紋，直至露出金屬光澤，再用混合酸進行酸洗以去除氧化膜， 酸洗后的樣品經過水沖洗數遍，吹干，其中，按體積比，所用的混合酸的組成為HF 8% 12%、HNO3 25% 35%、H2SO4 25% 35% 以及 H2O 25% 35% ；
(3)β-均勻化處理將經過步驟(2)處理的坯材在β相區980°C 1050°C進行加熱， 保溫25 35分鐘，使第二相充分溶解，合金成分均勻化；
(4)溫軋在550°C 600°C下溫軋，軋至4 6mm厚，溫軋后酸洗去除氧化皮；
(5)退火將步驟(4)溫軋后的合金在540°C 590°C進行2h退火；
(6)冷軋及中間退火將步驟(5)處理后的合金從4 6mm厚分三次冷軋到0.5 0. 7 mm厚，每兩次冷軋中間均經540°C 590°C退火2 4h ；
(7)最終熱處理在真空爐中在540 590°C下退火2 4h，即得所述鋯合金材料。本發明與現有技術相比具有以下優點本發明對傳統的合金進行優化設計，不僅提高了鋯合金的耐腐蝕性能，而且提高了合金的力學性能，合金的綜合性能優異， 滿足核壓水反應堆結構材料的要求。采取本發明方法所制備的鋯合金材料由等軸α -Zr晶粒和細小彌散分布的第二相粒子組成，而且所制得的鋯合金材料中不含β -Zr。這樣的顯微組織能夠保證該材料在反應堆堆芯苛刻的環境中具有優良的耐腐蝕性能。
具體實施例方式下面結合具體的實施例對本發明做進一步說明，但本發明不限于以下實施例。參見表1，其中給出了根據本發明的七個典型鋯合金材料的成分組成。表1實施例1-7及已有&-lNb合金的組成
權利要求
1.一種核壓水反應堆用鋯合金材料，其特征在于以所述鋯合金材料的總重量為基準，所述鋯合金材料由如下組分組成Nb 0. 2% 0. 5%、Sn 0. 3% 0. 5%、Cu 0. 1% 0. 4%、 0 0. 06% 0. 14%、C 彡 IOOppm, N 彡 80ppm 以及 Zr 余量。
2.根據權利要求1所述的核壓水反應堆用鋯合金材料，其特征在于所述鋯基合金中， Nb與Sn的含量之和在0. 8% 1. 0%之間。
3.根據權利要求2所述的核壓水反應堆用鋯合金材料，其特征在于所述鋯基合金的組成為:Nb 0. 4%、Sn 0. 4%、Cu 0. 1%、0 0. 06% 0. 14%、C ( 100ppm、N ( 80ppm 以及 Zr 余量。
4.根據權利要求2所述的核壓水反應堆用鋯合金材料，其特征在于所述鋯基合金的組成為:Nb 0. 4%、Sn 0. 4%、Cu 0. 3%、0 0. 06% 0. 14%、C 彡 IOOppm, N ^ 80ppm 以及 Zr 余量。
5.權利要求1至4中任一項權利要求所述的核壓水反應堆用鋯合金材料的制備方法， 其特征在于包括如下步驟(1)合金錠的熔煉將核級海綿鋯與配方量的&-Nb、Zr-Sn中間合金及Cu單質用真空非自耗電弧爐熔化在扣式成形模具中，反復熔煉4 6次，確保熔煉均勻得合金錠；(2)熱壓將步驟(1)所得合金錠置于650°C 700°C預熱30分鐘，用230 ^OKN油壓機熱壓，經三種大小不同的模具熱壓制成坯材，熱壓后用砂輪機打磨除去加熱過程產生的氧化皮及熱壓過程中形成的裂紋，直至露出金屬光澤，再用混合酸進行酸洗以去除氧化膜， 酸洗后的樣品經過水沖洗數遍，吹干，其中，按體積比，所用的混合酸的組成為HF 8% 12%、HNO3 25% 35%、H2SO4 25% 35% 以及 H2O 25% 35% ；(3)β-均勻化處理將經過步驟(2)處理的坯材在β相區980°C 1050°C進行加熱， 保溫25 35分鐘，使第二相充分溶解，合金成分均勻化；(4)溫軋在550°C 600°C下溫軋，軋至4 6mm厚，溫軋后酸洗去除氧化皮；(5)退火將步驟(4)溫軋后的合金在540°C 590°C進行2h退火；(6)冷軋及中間退火將步驟(5)處理后的合金從4 6mm厚分三次冷軋到0. 5 0. 7 mm厚，每兩次冷軋中間均經540°C 590°C退火2 4h ；(7)最終熱處理在真空爐中在540 590°C下退火2 4h，即得所述鋯合金材料。
全文摘要
本發明公開了一種核壓水反應堆用鋯合金材料及其制備方法，以所述鋯合金的總重量為基準，鋯合金材料由如下組分組成Nb0.2%～0.5%、Sn0.3%～0.5%、Cu0.1%～0.4%、O0.06%～0.14%、C≤100ppm、N≤80ppm以及Zr余量。鋯合金材料的制備方法包括依次進行的合金錠的熔煉、熱壓、β-均勻化處理、溫軋、退火、冷軋及中間退火，以及最終熱處理。本發明對傳統的Zr-Nb合金進行優化設計，提高了鋯合金的耐腐蝕性能，而且合金的綜合性能優異，滿足核壓水反應堆結構材料的要求。
文檔編號C22F1/18GK102181749SQ201110147668
公開日2011年9月14日 申請日期2011年6月2日 優先權日2011年6月2日
發明者張晏瑋, 王榮山, 王錦紅, 翁立奎, 耿建橋 申請人:中國廣東核電集團有限公司, 蘇州熱工研究院有限公司