[发明专利]一种核燃料组件包壳材料FeCrAl基合金及其制备方法

说明书

本发明公开了一种核燃料组件包壳材料FeCrAl基合金及其制备方法，所述合金由以下组分组成：Cr，Al，Mo，Nb，Si，Zr，V，Ga，Ce，C，N，O，Fe，杂质，其中，Cr、Al及Si合金元素的总重量百分比含量为16.1％～20.5％，Mo、Nb、Zr及V合金元素的总重量百分比含量为3.1％～6.2％。本发明所述合金通过合理控制各个组分之间的比例，在此范围内的合金元素之间的相互作用，不仅能够确保FeCrAl基合金的抗高温氧化性能，能够避免Cr、Al含量过高导致的合金硬化及脆化倾向，同时兼具较高的高温强度和韧性。

技术领域

本发明涉及铁基合金结构材料及特种合金材料技术领域，具体涉及一种核燃料组件包壳材料FeCrAl基合金及其制备方法。

背景技术

燃料元件是核动力反应堆堆芯的核心部件，其性能直接关系到核反应堆运行的安全性与经济性。锆合金是目前商用核电轻水堆燃料元件唯一采用包壳材料。但在突发情况下(如日本福岛核事故、压水堆失水事故等)，锆合金包壳与高温冷却剂水剧烈反应，放出大量热和爆炸气体氢气，导致包壳材料力学性能恶化，产生反应堆氢爆与大量放射性产物外泄等核灾难性后果。为了满足抗高温水蒸气氧化能力，世界核电大国对很多候选耐事故包壳材料进行了大量的高温氧化性能研究，最具有代表的包括Zr-2、Zr-4、SiC、304SS、310SS、FeCrAl基合金等材料。研究结果表明：FeCrAl基合金具有良好的抗辐照性能、和良好的抗高温氧化能力。

目前大多商用FeCrAl基合金材料大多具有较高的Cr、Al含量(Cr：15～30％,A：6～15％)，因此其抗高温氧化性能较为显著。但商用FeCrAl基合金材料中因含有较高的Cr、Al含量使其在反应堆运行工况热时效和辐照条件下硬化和脆化程度严重，给反应堆运行带来重大安全隐患，较高Cr、Al含量的FeCrAl基合金室温力学塑性较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型的、具有良好综合性能的核燃料组件包壳材料FeCrAl基合金，本发明通过对现有FeCrAl基合金的组分进行调整改进，使得FeCrAl基合金不仅具有良好的抗高温氧化性能，同时兼具高的力学强度和较高的塑韧性。

此外，本发明还提供上述FeCrAl基合金的制备方法。通过本发明所述方法制备的FeCrAl基合金还具有较高的高温强度和组织热稳定性。

本发明通过下述技术方案实现：

一种核燃料组件包壳材料FeCrAl基合金，由以下组分组成：

Cr，Al，Mo，Nb，Si，Zr，V，Ga，Ce，C，N，O，Fe，杂质，其中，Cr、Al及Si合金元素的总重量百分比含量为16.1％～20.5％，Mo、Nb、Zr及V合金元素的总重量百分比含量为3.1％～6.2％。

为了防止FeCrAl基合金硬化及脆化倾向的加剧，造成合金在反应堆运行及加工制备过程中断裂，应该在保证FeCrAl基合金具有较高抗高温蒸汽氧化能力基础上严格控制并降低Cr和Al的含量。此外，含有适当Cr、Al含量的FeCrAl基合金作为反应堆耐事故燃料包壳材料使用除了满足上述性能要求外，还应该具备如下性能：一是：室温下合金具有较高强度和塑性，为薄壁包壳管材加工提供基础；二是：在高温下(不低于800℃)合金具有较高强度；三是：合金高温组织比较稳定，尽可能提高合金的再结晶温度，使得合金在800℃以上具有较强的组织热稳定性并延迟合金晶粒尺寸长大，只有稳定的组织和细化的晶粒才能带来合金足够的优异性能。

本发明所述杂质含量符合目前商用工业纯铁及铁素体不锈钢的标准。

本发明所述FeCrAl基合金配方是对现有FeCrAl基合金的改进，在现有组分的基础上增加了Mo，Nb，Si，Zr，V，Ga，Ce，同时对Cr，Al的含量进行控制，降低Cr，Al的含量，以避免合金硬化及脆化倾向。