[发明专利]一种Zr‑Sn‑Nb‑Hf合金棒材及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于合金材料技术领域，具体涉及一种Zr-Sn-Nb-Hf合金棒材及其制备方法。

背景技术

锆合金由于具有低的中子吸收截面，优良的堆内腐蚀性能，良好的加工性能和机械性能等特点，在核反应堆得到了广泛的应用。核燃料元件包壳锆合金是核动力反应堆的关键核心材料之一，核动力的先进性、安全可靠性和经济性与所用包壳材料的性能密切相关。在过去的几十年里压水堆燃料元件包壳用锆合金在堆内的使用性能是令人满意的。但是，随着核动力反应堆技术朝着提高燃料燃耗和降低燃料循环成本，提高反应堆热效率，提高安全可靠性的方向发展，这就要求包壳材料承受更高的温度和辐照计量并保持高的稳定性。目前，传统的锆合金不能满足先进核动力反应堆的使用要求，必须研制新型的锆合金。

在改善锆合金的性能研究方面，最突出的研究成果是研制出了低锡Zr-4合金，低锡Zr-4由于没有超出Zr-4合金的标准成分范围，只是进行了成分调整，此外，加工工艺采用低温加工，保证合金具有理想的显微组织结构，因此，使其综合性能显著提高，因而被迅速用于核工程。低锡Zr-4合金被看作锆合金的第二代先进新材料。在对材料的高燃耗要求面前，Zr-Sn系合金的性能已到了极限，因此，发达国家都在积极地开展深燃耗下第三代锆合金的研究工作，其特点是在锆合金中都加入一定量Nb元素以提高合金的综合性能。

美国研制的Zr-Sn-Nb系Zirlo合金(Zr-1.0Sn-1.0Nb-1.0Fe)，1995年达到工业规模应用。采用低温工艺随后β淬火处理生产的包壳管，该合金显微结构含有细小分布均匀的第二相粒子。在反应堆运行下，该合金的拉伸性能、耐腐蚀性能、燃料棒辐照增长和抗蠕变性能均较常规Zr-4和低锡Zr-4合金优越，用Zirlo合金制造的组件达55GWd/tU，与标准组件比较，燃料循环费用下降13～14％。前苏联研制的Zr-Sn-Nb系E635合金(Zr-1.0Sn-1.0Nb-0.35Fe)。该合金的显微结构主要由α晶粒和第二相组成。组成粒子有三种形式：主要是密排六方结构Zr(Nb,Fe)₂相，还有四方晶格的(Zr,Nb)₂Fe相和正交晶系的(Zr,Nb)₃Fe相。综合性能明显优于Zr-4合金，也优于Zr-1.0％Nb合金。

然而，由于这些Zr-Sn-Nb系合金中添加了过渡金属Fe、Cr和Ni等，形成了Zr₂(Fe,Ni)Zintl相、Zr(Cr,Fe)₂Laves相，以及含Nb的(ZrNb)₃、Fe(ZrNb)₂、FeZr(FeNb)₂、(ZrNb)₃Fe等脆性相，这些金属间化合物第二相降低了材料的塑性，同时含有过渡金属的第二相粒子经中子辐照后会溶入基体中，从而使第二相的密度和尺寸发生变化，降低了合金的耐蚀性能。此外，在制备锆合金过程中引入的氧和碳等杂质元素也对材料的性能产生了不利影响。

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Zr-Sn-Nb-Hf合金棒材，该Zr-Sn-Nb-Hf合金棒材的室温抗拉强度为617MPa～725MPa、室温延伸率为25％～37％，在450℃的抗拉强度为433MPa～515MPa、延伸率为39％～53％，由此证明该Zr-Sn-Nb-Hf合金棒材具有优异的室温和高温强度以及良好的塑性等特点，能够作为下一代高燃耗条件下的结构材料。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种Zr-Sn-Nb-Hf合金棒材，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Sn 0.8％～1.2％，Nb 0.2％～0.4％，Hf 0.8％～1.6％，余量为Zr和不可避免的杂质。

上述的一种Zr-Sn-Nb-Hf合金棒材，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Sn 0.9％～1.1％，Nb 0.25％～0.35％，Hf 1.0％～1.4％，余量为Zr和不可避免的杂质。

上述的一种Zr-Sn-Nb-Hf合金棒材，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Sn 1.0％，Nb 0.3％，Hf 1.2％，余量为Zr和不可避免的杂质。

另外，本发明还提供了一种制备上述Zr-Sn-Nb-Hf合金棒材的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：