[发明专利]一种耐蚀锆合金及其铸锭的制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种耐蚀锆合金，由以下质量百分含量的成分组成：Ti 1％～15％，Ta 0.05％～5％，Nb 0.05％～2％，O 0.05％～0.2％，N不超过0.01％，Ni不超过0.1％，Cu不超过0.01％，H不超过0.002％，其余为Zr和不可避免的杂质；本发明还公开了一种制备耐蚀锆合金的铸锭的方法，将海绵锆、海绵钛和锆铌屑混压成电极块后布置在锆钽二元中间合金板材的两侧，焊接得到自耗电极进行真空自耗熔炼，得到耐蚀锆合金的铸锭；本发明还提供了耐蚀锆合金在乏燃料后处理设备中的应用。本发明通过对各组分以及杂质元素的控制，保证了锆合金的耐腐蚀性能；本发明的方法保证了耐蚀锆合金铸锭的成分均匀性。

技术领域

本发明属于金属材料制备技术领域，具体涉及一种耐蚀锆合金及其铸锭的制备方法和应用。

背景技术

至2020年7月，我国大陆地区并网发电的核电机组有47台，总装机容量约为45.5GWe，占我国电力总装机容量的4％左右。目前，平均每台百万千万的核电机组年消耗核燃料20吨～30吨，也就是说2020年我国新增的乏燃料(经过辐射照射、使用过的核燃料)就在900吨～1400吨。按照我国目前核电在建15台机组的情况，到2025年还将新增12GWe左右的装机容量，预计届时每年新增的乏燃料将达到1200吨～1800吨。即使依照我国目前核电数量(含在建)，核电在我国电力构成中的占比远低于世界平均水平的10％，可以预见当我国核电发展至世界平均水平时，年产生的乏燃料必然将超过2000吨，因此，乏燃料后处理需求愈发迫切。

目前，乏燃料后处理设备中使用耐蚀合金主要有不锈钢、钛、锆。不锈钢在后处理设备中应用最为广泛，但存在晶间腐蚀开裂、腐蚀速率相对较快的缺陷，世界上在运行的几个后处理厂都曾出现过不锈钢材料腐蚀损坏而被迫停产的事故。钛在浓硝酸中溶解速度远低于不锈钢，但是在使用过程中，钛与浓硝酸接触面出现过大面积白色沉淀物，不利于服役，其耐浓硝酸腐蚀性能也低于锆。而且钛在浓硝酸中形成的氧化膜薄膜的厚度、稳定性和耐磨性都不如锆。加之，Ti35、Ti-5Ta等钛合金制造成本较高，限制了其在后处理溶解器等关键设备上的应用。

法国在乏燃料后处理方面处于世界领先地位，其UP1、UP2、UP3等后处理厂蒸发器和溶解器大量采用锆合金作为耐蚀材料，UP2和UP3项目中已经使用了超过100t的锆材制设备和5000m的锆管。2019年末，中法就800吨后处理项目达成总价值200亿欧元的框架协议，我国800吨级后处理项目步入实质阶段。按照我国中长期核电规划，我国后处理厂规模应该不低于法国La Hague工厂，其中锆合金的使用规模必将超过法国La Hague厂。

日本学者H.Nagano在研究(Corr.Sci.38(1996)781-791)中认为，锆(Zr)中添加钽(Ta)元素可以使得锆合金具有优异的耐浓酸腐蚀能力的同时，提高锆合金的抗应力腐蚀能力。住友公司的专利EP0396821中公开了一种含Ta锆合金，具有抗应力腐蚀开裂能力，但该合金还需要Ti、Fe、Cr、M、W、V等合金元素，成分设计复杂，而且Cr元素饱和蒸气压较低，W、Ta元素熔点较高，合金成分均匀性控制难度较大，制造成本也相对较高。此外，纯金属Ta熔点为2996℃，而纯金属Zr的熔点为1852℃，二者熔点相差极大，直接将这两种纯金属混合后熔炼，很难保证Ta在Zr中的均匀性。因此，含钽锆合金的铸锭制备是锆钽合金应用的难点。为此，本发明公开了一种耐蚀含钽锆合金及其铸锭制备方法，以降低锆合金的应用成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种耐蚀锆合金。该锆合金通过对Ti、Ta、Nb和O组分以及杂质元素的质量含量的控制，大幅提高了锆合金的强度以及抗应力腐蚀开裂能力，保证了锆合金的耐腐蚀性能，降低了锆合金成本，减少了杂质元素对锆合金的耐腐蚀性能和力学性能的不良影响。