本项发明涉及锆合金材料领域,特别提出了一种第三代Zr-4合金的创新制备技术及其应用。该合金成分包括Sn含量0.85%至1.50%,Fe含量0.18%至0.24%,以及Cr含量,旨在提升合金性能,适用于多种工业应用。
背景技术
锆及其合金材料具有极强的耐腐蚀性能,极小的热中子吸收截面,良好的辐照后力学性能,因而被广泛应用于核反应堆的燃料包壳材料与结构材料。锆合金在核反应堆内的研究与应用始于20世纪50年代,至目前为止已历经70多年,除部分科研堆型外,锆合金目前仍是商用水冷型核反应堆的唯一包壳材料。业内悉知,锆合金的主要发展历经了三代:第一代是美国研制的Zr-2和Zr-4两种锆合金;第二代是在第一代Zr-4合金基础上降低锡含量、提升铁与铬含量后的第二代改进型Zr-4合金,又称为低锡Zr-4合金;第三代锆合金是含铌锆合金,分为锆铌系与锆锡铌系,主要有Zirlo、E635、M5、N36等牌号,除M5、Zr-2.5Nb等少数锆铌合金外,其他第三代锆合金均为锆锡铌合金。第三代锆合金与第二代锆合金相比,其主要优势为:添加了不少于0.1%的铌元素后,消除了疖状腐蚀现象,明显提升了耐疖状腐蚀性能;这虽然在一定程度上略微降低了均匀腐蚀性能,但具有综合腐蚀性能更强,机械性能更强,安全性更强,使用寿命更长等优点。
目前,国际上第三代锆合金处于大规模应用潮流下,如法国M5、美国Zirlo、我国N36等牌号正在大规模扩展其应用范围。但第二代改进型Zr-4合金仍在大规模使用,特别是沸水堆、重水堆等堆型仍必须使用Zr-4合金,这是因为第二代改进型Zr-4合金在长期均匀腐蚀试验中,其腐蚀增重明显小于第三代锆合金。但在第二代改进型Zr-4合金长期均匀腐蚀试验中,腐蚀增重虽然小于第三代锆合金,但其仍存在较为明显的问题。例如,在400℃、10.3MPa、300天的长期均匀腐蚀试验中,其表面局部会出现灰白色或黄褐色的腐蚀斑点,行业内称为“白斑”或“黄斑”,该腐蚀斑点产生的初期不会影响腐蚀增重,但经历约1、2个周期的腐蚀转折后,会明显增加腐蚀增重,并且斑点处会明显凸起,导致发生不均匀腐蚀现象,继续长期腐蚀试验后最终会引起合金表面局部发生破损。再者,第二代改进型Zr-4合金耐疖状腐蚀性能较差,明显劣于第三代锆合金,具体表现为:在500℃、10.3MPa、8h的疖状腐蚀试验中,样品会出现部分疖状腐蚀斑点,在36h疖状腐蚀试验后,样品表面会因疖状腐蚀现象而出现大面积破损,在200h疖状腐蚀后样品会完全破碎;而第三代锆合金均能达到200h疖状腐蚀试验后不出现疖状腐蚀斑点。此外,第二代改进型Zr-4合金耐高温机械性能不够好,特别是热蠕变性能相对于第三代锆合金差距较大。因此,对于Zr-4合金性能的改进,例如提高其耐均匀腐蚀性能,特别是耐疖状腐蚀性能,以及进一步提升蠕变、高温疲劳、高温磨损等机械性能,有着广泛且迫切的应用需求。
有鉴于此,特提出本发明。
实现思路