[发明专利]对镍基合金，尤其是用于核反应堆燃料组件及用于核反应堆的镍基合金的环境辅助开裂进行脱敏的热处理方法以及用如此处理的合金制造的部件

说明书

技术领域

本发明涉及镍基合金的冶金，更具体地涉及用于制造核反应堆的结构部件或所述反应堆中插入的燃料组件的结构部件的合金。 

背景技术

核反应堆的某些部件是用镍基合金例如各种类型的 制造的，这些部件例如是换热器、棒束的导销、管道、用于固定钢质元件的螺钉和螺栓，所述钢质元件用于制造轻水核反应堆或带有气体或熔融盐或液态金属载热流体的核反应堆的冷却回路。这些部件在高温和高压下在长时间内(几十年)应当具有良好的抗氧化性、耐腐蚀性、抗蠕变性以及对循环热应力和机械应力的抗性，镍基合金很适合这些用途。 

轻水核反应堆的燃料组件的某些结构部件也可以由镍基合金制成，其中718合金是优先的例子。在栅格弹簧和压紧弹簧和螺钉元件的情况下尤其如此，其中栅格弹簧通常由这种合金的带材制成，压紧弹簧要么由用于叠板弹簧的半成品板制成，要么由螺旋弹簧的线制成，螺钉元件由棒材制成。 

可用于这些情况下的镍基合金具有以重量百分比表示的如下一般组成：C≤0.10％；Mn≤0.5％；Si≤0.5％；P≤0.015％；S≤0.015％；Ni≥40％；Cr＝12-40％；Co≤10％；Al≤5％；Mo＝0.1-15％；Ti≤5％；B≤0.01％；Cu≤5％；W＝0.1-15％，Nb＝0-10％，Ta≤10％；余量为铁，以及加工过程导致的不可避免的杂质。未指明最小值的元素可以完全不存在，或者仅以痕量存在。也可以任选地存在少量的其他更少使用 的元素，以调整某些机械或化学性能，它们将不会剧烈改变合金的环境辅助开裂敏感性方面的性能，这种敏感性在水性介质中表现为应变腐蚀现象。 

通常，这种合金的具体实例718合金的组成为：C≤0.08％；Mn≤0.35％；Si≤0.35％；P≤0.015％；S≤0.015％；Ni＝50-55％；Cr＝17-21％；Co≤1％；Al＝0.2-0.8％；Mo＝2.8-3.3％；Ti＝0.65-1.15％；B≤0.006％；Cu≤0.3％；Nb+Ta＝4.75-5.5％；余量为铁以及加工过程导致的不可避免的杂质。它也可以含有几百ppm的Mg。 

在含有这种部件的反应堆的运行中越来越重要的一个问题是所述部件对环境辅助开裂的耐受性。这是因为，一方面，人们希望尽可能延长燃料组件的运行周期时长。因此希望将其从目前常规的12个月长度延长到18个月，甚至24个月。另一方面，轻水反应堆(英文为LWR)的初级(primaire)介质的特定条件有利于环境辅助开裂的发展。对于带有气体或熔融盐或液态金属载热流体的核反应堆，情况也是这样，这是因为所达到的加剧氧化现象的极高温度的原因。特别是，对于压水反应堆的经验已表明，在发生应变腐蚀(CSC)的情况下，由于环境辅助开裂的发展，718合金制成的栅格弹簧会在使用过程中突然发生断裂。也遇到过X750合金制成的棒束的导销、600合金制成的蒸汽发生器的管道、槽底套管、焊接区域的断裂或裂缝，所有这些部件均是由不同牌号的镍基合金制成的。 

因此，为了改善镍基合金、尤其是178合金制成的部件的可靠性，需要寻找降低这些部件对环境辅助开裂的敏感性的方法。 

迄今为止，所采用的方案尤其已经产生良好的工业实用性或者采用缓解措施。 

因而，已经提出通过机械途径(喷丸处理、微珠化处理(microbillage)、喷沙处理等)或化学途径(电抛光)改变结构元件的表面状态。例如，文献JP-A-2000 053 492教导对Ni基超级合金制成的单晶浇铸材料进行材料最外层的去除，这是通过对所述层进行氧化然后进行电化学抛光来实现的。然后，在等于或高于再结晶温度 的温度下进行热处理。由此消除了使材料对环境辅助开裂敏感的材料表面残余应力。然后将表面用陶瓷层覆盖。该文献教导了将该方法应用于燃气轮机的叶片，但是还已经在600和690合金制成的蒸汽发生器的管上进行材料表面状态的改变以消除残余应力。 

另一种方法在于在材料上涂布合适的涂层。因而常见对718合金制成的栅格弹簧进行镀镍以降低其在工作中断裂的数量。其他类型的涂层也是可以的，例如通过扩散进行表面处理。因而，文献US-A-5 164270提出在含有9-30％Cr的铁合金表面上植入Nb和/或Zr并使其暴露于O₂/S气体混合物。这也可以应用于Ni基合金。