[发明专利]一种ODS高温合金管的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及ODS高温合金管的制备方法。

背景技术

能源问题日益成为世界发展所面临的共同危机，在能源需求与环境保护双重压力下，为保障国民经济的可持续发展，核能是解决我国能源问题的重要途径之一。超临界水堆（Super Critical Water Reactor,SCWR）作为第四代新型核能系统中唯一的先进水冷堆，具有在经济性、工程技术延续性以及可持续性上的诸多综合优势，是大功率压水堆技术发展的必然趋势。

超临界水堆运行于超高压力、高温度和强烈中子辐照条件下，这种极端的工作条件给传统的核燃料包壳材料带来了新的挑战，要求同时具备以下几个特性：1、在工作温度范围（正常情况为280℃~620℃，非正常情况高达840℃）具有高强度和耐腐蚀性；2、低的腐蚀开裂敏感性；3、较低的中子吸收截面和吸收中子后的感生放射弱性；4、中子辐射稳定性：低辐射肿胀、低辐射脆性和低活化；5、易加工成型。而常规压水堆使用的核燃料包壳材料是Zr合金,但Zr合金的机械性能较差并存在严重的辐照肿胀问题,不能完全满足SCWR燃料包壳的要求。

氧化物弥散强化（ODS）合金，尤其是ODS铁素体钢，其优异的高温力学性能和良好的抗辐照能力成为SCWR包壳最有希望的一类候选材料。弥散强化是指用不溶于基体金属的超细第二相(强化相)来强化金属材料方法,其实质是利用弥散的超细微粒阻碍位错运动,不仅能够提高材料的高温力学性能,而且能够增强材料的辐照稳定性。

由于ODS合金具有强度高、硬度大和材料脆性，材料具有较差成型加工性能，因而采用传统方法（锻造、淬火、拉拔和形变热处理）制备核燃料包壳ODS合金管存在工艺复杂、效率低和难于加工成型等问题。

发明内容

本发明是要解决现有的制备核燃料包壳ODS合金管方法中工艺复杂、效率低和难于获得各种管径尺寸和壁厚的问题而提出一种ODS高温合金管的制备方法。

本发明中的一种ODS高温合金管的制备方法按以下步骤进行：

一、清洗基管外表面：基管材质为陶瓷、金属或可溶性盐类，对于陶瓷和金属材质的基管，在超声功率为150W~200W的条件下，先用丙酮清洗10min～20min，然后再用无水乙醇清洗8min~12min，晾干后，安装在电子束物理气相沉积设备的固定基架上；对于可溶性盐类的基管，用电吹风将外表面附着的灰尘吹掉后，安装在电子束物理气相沉积设备内的固定基架上，其中电子束物理气相沉积设备制备的ODS高温合金管的外径尺寸为15mm～150mm，壁厚为0.1mm~8mm，长度小于500mm；

二、电子束物理气相沉积前的准备工作：将合金锭料和氧化物粉末分别放入不同的坩埚中，然后对电子束物理气相沉积系统开始抽真空，在抽真空的同时，启动固定基架上的加热装置对基管进行加热，并启动固定基架上的转动装置使基管以1rpm~15rpm的速度转动，达到700℃~900℃时，停止升温，保持基管恒定于此温度，其中合金锭料的成分为铁基高温合金、镍基高温合金或钴基高温合金任一种，氧化物粉末为Y₂O₃粉末、Al₂O₃粉末或ZrO₂粉末任一种，氧化物粉末颗粒尺寸为1μm~20μm，靶基距（坩埚到基管的距离）为100mm~600mm；

三、沉积ODS高温合金管：继续对电子束物理气相沉积系统抽真空直到绝对真空度高于5×10^-2Pa时，调整转动装置使基管以1rpm~15rpm的速度转动，然后用不同束流密度的电子束同时加热合金锭料和氧化物粉末，使它们达到熔点并开始熔化，当合金锭料和氧化物粉末中熔池达到稳定状态后，打开挡板，开始蒸发，当ODS高温合金管的壁厚为0.1mm~8mm时，立即关闭电子束，拉上挡板，然后关闭固定基架上的加热装置，停止固定基架上的转动装置，关闭电子束物理气相沉积设备，完成ODS高温合金管的的制备，其中沉积过程中加热合金锭料的电子束与加热氧化物粉末的电子束的束流密度之比为（1.3~5）:1。

本发明的机理是由于ODS合金具有强度高、硬度大和材料脆性，材料具有较差成型加工性能。因而采用传统方法（锻造、淬火、拉拔和形变热处理）制备核燃料包壳ODS铁素体钢管存在工艺复杂、效率低和难于加工成型等问题。而大功率电子束物理气相沉积技术由于具有功率高，蒸发速率快，制备的ODS合金中氧化物颗粒尺寸小且分布均匀和一次净成型等优点，可通过成分设计和多源蒸发直接沉积ODS合金。

本发明包括以下有益效果：