本發(fā)明屬于鐵基合金結(jié)構(gòu)材料及特種合金材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及用于壓水反應(yīng)堆中的一種先進核燃料元件包殼用fecral基合金材料及其制備方法。

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。所以，下一代及未來先進核電壓水堆用燃料元件包殼材料與現(xiàn)用核電鋯合金包殼材料相比，必須具備更好的抗高溫水蒸氣氧化能力、高溫強度及高溫穩(wěn)定性，能夠在一定時間內(nèi)提供更大安全余量以及避免潛在的嚴重堆芯融化事故，也稱為耐事故包殼材料。

耐事故包殼材料要求其能在800-1000℃左右蒸汽環(huán)境中幾個小時內(nèi)(時間越久越好，可增加救援時間)保持一個很低的氧化速率(至少比鋯合金低2個數(shù)量級)，同時該包殼材料在高溫條件下(≥800℃)具有滿足短周期可靠性的力學(xué)強度，這樣才可以在超過設(shè)計基本事故時候提高堆芯事故的安全裕量。在這種強烈需求背景的推動下，世界核電大國對很多候選耐事故包殼材料進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基合金由于具有良好的抗輻照性能，且含有合適量cr、al的fecral合金的抗高溫氧化能力遠遠優(yōu)于zr-2、zr-4、304ss、310ss合金，其抗高溫氧化性能和采用cvd方法制備的sic材料基本相當(dāng)，使其成為先進核電耐事故包殼材料研發(fā)中十分具有潛力的包殼材料。

目前大多商用fecral基合金材料的抗高溫氧化性能較為顯著，但在反應(yīng)堆運行工況熱時效和輻照條件下硬化和脆化程度嚴重，給反應(yīng)堆運行帶來重大安全隱患。不僅如此，商用的的fecral基合金室溫力學(xué)塑性較差，導(dǎo)致合金板材及薄壁管材加工困難，無法滿足工業(yè)化實際需求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種先進核燃料元件包殼用fecral基合金材料，該合金材料在1000℃水蒸氣條件下具有優(yōu)異的高溫氧化性能，在800℃高溫下合金具有較高的高溫強度和組織熱穩(wěn)定性，在室溫下具有很高的力學(xué)強度和較高的塑韌性。還公開了一種制備方法。

本發(fā)明通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種先進核燃料元件包殼用fecral基合金材料，以重量計，cr：12.5～14.5％，al：3.5～5.5％，mo：1.7～2.0％，nb：0.8～1.0％，ti：0.5～1.0％，si：0.1～0.2％，zr+ta+w：0.1～0.3％，ga+ni：0.1～0.2％，余量為鐵和符合工業(yè)標準的雜質(zhì)。

以重量計，cr：14.5％，al：5.0％，mo：2.0％，nb：1.0％，ti：0.9％，si：0.2％，zr+ta+w：0.3％，ga+ni：0.2％，余量為鐵和符合工業(yè)標準的雜質(zhì)。

mo、nb的總重量百分比含量≥2.8％。

cr、al和si的總重量百分比含量≥17％，以便能夠保持較好的高溫氧化性能及抗腐蝕性能。

雜質(zhì)中，c：≤0.008％，n：≤0.005％，o：≤0.003％。

ce：0.05～0.1％。

如前所述的先進核燃料元件包殼用fecral基合金材料的制備方法，具體包括以下步驟：熔煉鑄錠，將鑄錠退火、鍛造、熱處理、熱軋、熱時效處理、冷軋；

所述退火溫度為1160℃～1180℃，退火后保溫8-10h；

鍛造包括始鍛和終鍛，始鍛溫度1050℃～1080℃，終鍛溫度850℃～1050℃；

熱處理速度為：790℃～800℃/0.5-1.0h；

熱軋溫度為500-790℃，熱軋時被處理材料的變形量≥65％；

熱時效處理的時效溫度為780℃～790℃，時效時間為：24h～28h；

冷軋過程中的中間退火溫度及最后退火溫度≤705℃，冷軋時被處理材料變形量不低于35％。

鍛造之前需要去除鑄錠表面的氧化皮并對鑄錠表面進行清潔處理。

熱軋和冷軋過程中溫度的設(shè)定，有效避免了laves第二相粒子在加工及熱處理過程中的長大，得到細小的第二相粒子，保證了合金的高溫氧化性能，同時增強了室溫及高溫強化效果。

熱處理之前需要去除被鍛造處理材料的表面氧化皮并對其被鍛造處理材料的表面進行清潔處理。

鍛造時鍛造比大于2。

發(fā)明人在實踐過程中發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有大多商用fecral基合金材料具有顯著的抗高溫氧化性能，但在反應(yīng)堆運行工況熱時效和輻照條件下硬化和脆化程度嚴重，并且fecral基合金室溫力學(xué)塑性較差，導(dǎo)致合金板材及薄壁管材加工困難，其原因在于：cr、al含量過高。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，本發(fā)明對cr、al、mo、nb、ti、zr、ta、w、ga、ni等進行創(chuàng)造性的組份配比，一方面cr、al和si的有效配合，能夠有效降低本發(fā)明合金材料在800-1000℃條件下的氧化速率，使得本發(fā)明合金材料的氧化速率保持在一個較低的水平，氧化速率增速緩慢，保證fecral基合金材料具有抗高溫氧化性能，另一方面mo、nb、ti、zr、ta、w的有效配合能夠析出大量彌散的laves第二相粒子，細化晶粒并提高合金室溫力學(xué)性能及高溫強度，ga+ni能夠軟化材料，提高材料本身的塑韌性，使得合金材料在高溫條件下的組織穩(wěn)定性明顯得到改善。一般來說，合金材料的強度和韌性是一對矛盾，通常提高強度，韌性就會降低，或者韌性提高，強度就降低。正是本發(fā)明采用mo、nb、ti、zr、ta、w組合和ga+ni組合搭配在cr、al和si的組合基礎(chǔ)上，在保證一定的抗高溫氧化性的基礎(chǔ)上，才能夠既保證合金材料的強度，也不會降低合金材料的塑韌性，賦予本合金材料優(yōu)異的力學(xué)性能和塑韌性能。

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)明的合金材料在高溫抗氧化的基礎(chǔ)上，能夠具有在800℃高溫下合金具有較高的高溫強度和組織熱穩(wěn)定性，在室溫下具有很高的力學(xué)強度和較高的塑韌性；

2、本發(fā)明合金在1000℃水蒸氣條件下具有非常優(yōu)異的抗高溫氧化性能，高溫蒸汽氧化速率遠遠低于目前商用核電包殼材料zr-4合金；

3、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(室溫強韌性及高溫強度)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)明作進一步的詳細說明，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

表1本發(fā)明fecral基合金實施例的成分配比(余下為鐵)

以1-7#的合金材料配比通過相同(即參數(shù)完全相同)的制備方法：如前所述的先進核燃料元件包殼用fecral基合金材料的制備方法，具體包括以下步驟：

(1)用工業(yè)純鐵和純度大于99.9％的高純合金按表1配方配料，用真空感應(yīng)熔煉爐熔煉制備20～30千克鑄錠；

(2)將上述鑄錠進行高溫均勻化退火溫度。退火溫度為：1160℃～1180℃，保溫時間8～10h；

(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行高溫鍛造，始鍛溫度為：1050℃～1080℃，終鍛溫度為：≥850℃，鍛造比大于2；

(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行熱處理，熱處理制度為：790℃～800℃/0.5-1.0h。熱處理后進行板材的熱軋，熱軋溫度不高于790℃，材料變形量≥65％；

(5)將熱軋后的板材進行熱時效處理，具體時效溫度為：780℃～790℃，時效時間為：24h～28h；

(6)將熱時效處理后的熱軋板材進行冷軋，冷軋過程中的中間退火溫度及最后退火溫度不高于705℃，冷軋變形量≥35％。

為進一步說明本發(fā)明的配方的先進性，本發(fā)明采用最優(yōu)案例6#為基礎(chǔ)實施例，在6#的基礎(chǔ)上進行對比試驗，選擇本發(fā)明范圍以外的比例進行對比試驗，所有對比例的制備方法都和6#相同。

對比例1*：原料和6#相同，mo的含量為1％，nb的含量為0.5％，ti的含量為1.5％，zr+ta+w的含量為0.08％，ga+ni：0.05，其余成分和6#一致；

對比例2*：原料和6#相同，mo的含量為2.5％，nb的含量為1.5％，ti的含量為2.0％，zr+ta+w的含量為0.4％，ga+ni：0.3％，其余成分和6#一致；

對比例3*：cr含量為12％、al含量為3％、si含量為0.08％，其余成分和對比例1*相同；

對比例4*：zr+ta+w的含量為0.08，ga+ni：0.05，其余成分和6#一致

對比例5*：cr含量為15％、al含量為5.9％、si含量為0.8％，其余成分和6#相同。

表2本發(fā)明fecral基合金對比例的成分配比(余下為鐵)

將1-7#和1*-5*制備的合金材料匯總表見表3進行力學(xué)性能和塑韌性的測試，其測試結(jié)果如下表4，

表3實施例和對比例的各組分匯總表

表4效果對比

可以從表上看出，實施例1-3#的合金材料在僅僅滿足基礎(chǔ)配方條件下，雖然具有一定的抗高溫氧化性能，但是其總體綜合性能不如滿足4-7#的合金材料的好。(4-7#同時滿足mo、nb的總重量百分比含量≥2.8％；cr、al和si的總重量百分比含量≥17％)

由實施例6#和對比例1*、2*與4*可知，cr、al和si含量不變的情況下，增加mo與nb、zr+ta+w、ga+ni等合金化元素時，會導(dǎo)致合金室溫及高溫力學(xué)強度增加，塑性降低，但降低不明顯。

由實施例6#和對比例3*與5*可知，mo與nb、zr+ta+w、ga+ni含量不變的情況下，即當(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。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。

值得注意的是，fecral基合金材料的性能評價是一個綜合考究的過程，單個數(shù)值的高低對其性能好壞的評判不具有決定性意義，本領(lǐng)域技術(shù)人員在評價fecral基合金材料的性能時，既要考慮抗高溫氧化性能、同時還需要考慮其韌性和強度數(shù)值的大小，例如抗高溫氧化性能低、可其韌性和強度均不能達到應(yīng)用水準，又如韌性強、其強度不高等，具有上述性能的fecral基合金材料均不為應(yīng)用所需，不在綜合性能優(yōu)認定的范疇內(nèi)。

以上所述的具體實施方式，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，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、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。