[发明专利]一种核电站用低诱发高耐磨耐蚀合金及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种核电站用低诱发高耐磨耐蚀合金及其制备方法和应用，低诱发放射性的耐磨合金中化学成分质量分数为C：1.1～1.35％，Si：2.0～4.0％，Mn：4.0～5.0％，Cr：23.0～26.0％，Ni：3.50～4.50％，Mo：1.5～3.5％，Ti：0.05～0.9％，W：0.5％～3.5％，V：0.05～0.5％，Nb:0.05～1.75％，稀土元素＜0.5％，N0.10％，Co：0.05％，B0.02％，P＜0.035％，S＜0.035％，其余为Fe和不可避免的杂质。本发明所述合金在室温至300℃之间具有良好的力学性能、抗腐蚀性能和抗磨损性能，可用于制造核电站中动作部件的高温耐磨部件。

技术领域

本发明属于核工程技术领域，特别提供一种核电站用低诱发高耐磨耐蚀合金及其制备方法，可用于制造核电站控制棒驱动机构及核级阀门等动作部件的耐磨部件。

背景技术

随着核电产业的迅猛发展，对核电设备的国产化要求越来越迫切。在核电产品制造中，核心动作部件的耐磨性是其运动可靠性的保证，也是保证反应堆功能稳定的关键。该类产品处在高温、高压、以及腐蚀的工况下，且工作面需要承受摩擦和冲击，这就要求该类产品具有良好的力学性能，且在高温高压条件下具有良好的耐磨性能。典型产品为核电站控制棒驱动机构用钩爪、连杆及相关连接的轴、销等。目前该类产品成形工艺主要有三种：整体铸造、锻造和堆焊。整体铸造工艺主要以三代核电站AP1000和CAP1400驱动机构用钩爪、连杆为代表，采用Stellite6钴基合金整体铸造；锻造工艺主要以我国秦山一期自主研发的钩爪为代表，其采用HS-25材料锻造而成，属于Co-Cr-W合金；堆焊工艺主要以二代+压水堆核电站和三代核电站“华龙一号”驱动机构用钩爪为代表，使用304LN基体堆焊Stellite6合金的钩爪材料，另外还包括一些关键核级阀门密封面采用钴基合金堆焊工艺，用于保证阀门的耐磨性及可靠性。上述动作部件之所以采用钴基合金，在于其良好的耐高温、耐腐蚀和耐磨损性能，尤其是抗黏着磨损能力。

但是，钴基合金存在2个突出的问题：一是钴基合金磨损颗粒和腐蚀碎片中的⁵⁹Co(自然丰度100％)受激发将形成⁶⁰Co同位素(半衰期为5.27年)，产生诱发放射性，这会延长核辐射的半衰期，而且放出的γ射线能量较高，在停堆检修时造成检修时间的延长和对维修人员的威胁，同时含钴的磨损颗粒或碎片进入核反应堆冷却系统中，也会大大增加核辐射屏蔽的难度和成本，再者，由于活化后的钴具有强烈放射性，退役后增加了后处理的难度。二是我国是钴资源十分缺乏的国家，钴矿储量小于2％的世界储量，所需钴资源主要靠进口钴精矿和回收利用含钴废料，成本较高。因此，国内外核电站选材对金属材料中钴含量提出了较为严苛的要求，甚至提出了采用无钴或低钴合金代替钴基合金的要求。

同时，对比上述三种成形工艺，铸造和锻造的优点为成型工艺较为简单，可控性强，易于批量生产；缺点为整体为钴合金，成本较高，而且增加了堆内钴元素的含量，易带来诱发放射性，为反应堆的检修和运营维护带来不便。堆焊工艺的优点是减少了钴元素在整个产品中的成分占比，降低了诱发放射性带来的辐射剂量，在保证表面耐磨性能的前提下，兼顾了韧性。缺点是工艺可控性弱，钴基合金堆焊时堆焊层易出现裂纹、孔洞等各种缺陷，堆焊层的硬度和尺寸精度难以控制，而且堆焊层在长期服役过程中易于剥落。上述三种成形方案制造的动作部件在应用过程中均不可避免钴元素磨损颗粒或碎片的剥落。

本发明所述铁基高温耐磨合金的设计原理如下：铬元素的加入提高基体的抗腐蚀性能；碳化物形成元素钛、钨、钼和铌的加入，一方面与基体中的碳结合形成碳化物，起到强化基体，提高合金硬度，进而提高合金耐磨性，尤其是高温耐磨性的作用，而且难熔金属钨和钼在高温下长期服役，可形成三氧化钨(WO₃)和三氧化钼(MoO₃)，其在高温下是良好的固体润滑剂，可起到降低摩擦系数的作用，同时钨、钼和其氧化物可减少摩擦界面之间的黏着现象，增强合金的抗黏着磨损性能。

发明内容