[发明专利]一种含有钼元素的高性能锆基合金及其制备方法

说明书

本发明的目的在于公开一种含有钼元素的高性能锆基合金及其制备方法，它包括如下重量百分比的组分：锡(Sn)0.25‑0.50％，铌(Nb)0.65‑0.90％，铁(Fe)0.20‑0.50％，氧(O)0.145‑0.175％，钼(Mo)0.05‑0.18％，80ppm以下的硅(Si)，余量为98％以上包含杂质的锆(Zr)；与现有技术相比，显著提高了耐腐蚀性能和吸氢性能，同时获得了均衡的力学性能、抗辐照蠕变性能和抗辐照生长性能等重要性能，实现本发明的目的。

技术领域

本发明涉及一种锆基合金及其制备方法，特别涉及一种用于核燃料的含铌和锡的含有钼元素的高性能锆基合金及其制备方法。

背景技术

锆基合金由于热中子吸收截面小、导热率高、机械性能好，还具有良好的加工性能以及对UO₂相容性好，尤其还对高温水、高温水蒸汽具有良好的耐腐蚀性能和足够的热强性，因此被广泛用作水冷反应堆的包壳材料和堆芯结构材料。

目前，已经形成了多种核燃料用锆基合金，概括起来主要有Zr-Sn系、Zr-Nb系和Zr-Sn-Nb系三大类。其中，Zr-Sn系主要包括Zr-2合金、Zr-4合金和低锡Zr-4合金等，Zr-Nb系有Zr-2.5％Nb合金、Zr-1％Nb合金和M5合金等，Zr-Sn-Nb系则包括ZIRLO合金、NDA合金、E365合金、N18合金和N36合金等。

不同锆基合金根据使用工况不同，性能各有差异，但总的来说，核燃料用锆基合金考量的重要性能包括耐腐蚀性能、吸氢性能、力学性能、抗辐照生长性能和抗辐照蠕变性能。其中，最制约锆基合金使用限度的是耐腐蚀和吸氢性能。

锆基合金在堆内服役的环境十分恶劣，需要承受腐蚀、应力、高温以及辐照等多重侵蚀的共同作用，又因为作为放射性物质的第一道屏障，在安全上起到至关重要的作用；因此，监管机构、核电厂业主、燃料供应商等各方都对应用于核燃料的锆基合金要求极为严格。第一代锆基合金如常规Zr-4合金燃耗只允许用到30GWd/tU，优化Zr-4合金燃耗允许用到40-50GWd/tU。上世纪70年代以来开发了第二代锆基合金，用于压水反应堆的主要有E635合金、ZIRLO合金、优化ZIRLO合金和M5合金等。ZIRLO合金被批准的燃耗为60GWd/tU，优化ZIRLO合金被批准的燃耗可达70GWd/tU；M5合金一般被批准的燃耗为52-62GWd/tU，德国批准M5合金可用的燃耗较高，达到了70GWd/tU。

随着时代的发展，人们对核电的安全性要求越来越高，与此同时由于受到其他诸如太阳能、风能等清洁能源的竞争，国家和市场对核电的经济性要求也日趋增长，高性能核燃料元件越来越朝着“长循环、低泄漏、高燃耗、零破损”的方向发展。

现有锆基合金的性能逐渐被挖掘殆尽，成为开发更高性能核燃料元件的掣肘因素，因此必须开发出新的更高性能锆基合金，以满足更高安全性和经济性需求。影响锆基合金耐腐蚀性能的因素包括合金成分、热加工工艺、第二相、氧化物类型、晶粒形貌和水化学等。锆基合金腐蚀的同时会释放出一定量的氢，反应中产生的氢一部分被锆基合金吸收，吸收的氢量与腐蚀时理论放氢量之比为吸氢分数。因此，锆基合金的耐腐蚀性能与吸氢性能之间存在比例关系，影响腐蚀的因素也往往会同时影响吸氢。开发高性能锆基合金的目标就是在保证其它重要性能均衡的情况下，进一步提高耐腐蚀性能和吸氢性能，以满足更先进核燃料元件研发的需求。

因此，特别需要一种含有钼元素的高性能锆基合金及其制备方法，以解决上述现有存在的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种含有钼元素的高性能锆基合金及其制备方法，针对现有技术的不足，具有更高耐腐蚀性能且其它重要性能均衡，可用于制造反应堆核燃料元件的包壳管、导向管和格架等零部件，能够进一步加深燃料元件燃耗，提高燃料元件的可靠性，改善经济性，同时提高堆芯和燃料元件的安全性。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：