[发明专利]一种核反应堆用FeCrAl ODS钢的制备及其弥散相晶体结构调控方法在审

专利信息
申请号: 202310288156.3 申请日: 2023-03-23
公开(公告)号: CN116288031A 公开(公告)日: 2023-06-23
发明(设计)人: 桑伟;窦鹏;木村晃彦;沈兵;陆翔宇;卞正文 申请(专利权)人: 扬州工业职业技术学院
主分类号: C22C38/06 分类号: C22C38/06;C22C38/28;C22C38/22;C22C33/02;C21D6/00
代理公司: 南京苏高专利商标事务所(普通合伙) 32204 代理人: 柏尚春
地址: 225127 江苏省*** 国省代码: 江苏;32
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摘要:
搜索关键词: 一种 核反应堆 fecral ods 制备 及其 弥散 晶体结构 调控 方法
【说明书】:

发明公开了一种核反应堆用FeCrAl ODS钢的制备及其弥散相晶体结构调控方法,该方法通过调控FeCrAl ODS钢的化学成分及其质量范围为:12~20%Cr、2~8%Al、0.1~1.2%Ti、0.2~1%Zr、1~3%W、0.2~0.6%Ysubgt;2/subgt;Osubgt;3/subgt;及余量Fe,使得最终制得的FeCrAl ODS钢的弥散相晶体结构中包括Y‑Al‑O、Y‑Ti‑O和Y‑Zr‑O型复合氧化物。本发明通过优化Al、Ti和Zr的成分配比制备得到的FeCrAl ODS钢,其弥散强化相细小致密:平均粒径在10nm以内、超高的数量密度(10supgt;22/supgt;/msupgt;3/supgt;),并且分布均匀,更为重要的是强化相的物相组成结构得到明显优化。

技术领域

本发明涉及一种ODS钢的制备及其弥散相晶体结构调控方法,尤其涉及一种核反应堆用FeCrAl ODS钢的制备及其弥散相界晶体结构调控方法。

背景技术

目前,世界主流的第三代轻水反应堆普遍存在铀资源利用率较低、热转化效率不高、产生大量放射性乏燃料及反应堆安全性等问题,严重制约了未来核电行业的可持续发展。第四代先进核能系统的提出有望解决上述技术瓶颈,但其仍面临许多新的工程技术挑战,其中以能够适应四代堆苛刻堆芯环境(高温、强中子辐照和化学反应性环境)的高性能燃料包壳材料的开发尤为关键。在前期的核结构材料研发过程中,氧化物弥散强化钢凭借出色的性能展现出了巨大的核用潜力。

众所周知,氧化物弥散强化钢的宏观性能主要取决于材料的微观结构,而其最显著的特征在于基体中弥散分布的纳米氧化物。这些氧化物细小致密,能够钉扎位错,限制晶界移动,使材料得到强化。弥散氧化物的存在向基体中引入大量的界面(基体/氧化物间的相界),这些界面可以作为辐照点缺陷的复合中心,加快损伤部位的自愈合,减轻材料的辐照肿胀效应。

在合金设计阶段,通过添加Al元素能够促进合金表面形成保护性的氧化铝膜,赋予材料良好的抗腐蚀性能。但是,Al合金化会导致氧化物弥散形貌恶化(促进粗大稀疏的Y-Al复合氧化物的生成),从而削弱弥散相的强化效果。研究表明Ti和Zr元素均能够细化氧化物粒子的尺寸(主要通过促进Y-Al和Y-Zr复合氧化物的生成来部分取代Y-Al复合氧化物)。更为关键的是,Zr能够促进更加耐中子辐照的Y-Zr复合氧化物(如δ-相Y4Zr3O12)的生成,对材料抗辐照性能的提升极为有利。

基于上述研究思路开发的FeCrAl ODS钢兼具良好的高温蠕变强度以及出色的耐中子辐照和抗化学腐蚀等性能,是第四代先进核能系统中超临界水冷堆和铅(或铅铋)冷快堆两种堆型最有希望的燃料包壳候选材料之一。虽然具有优异的综合性能,但FeCrAl ODS钢尚不能完全满足上述两种堆型苛刻堆芯环境的服役需求,仍然需要针对具体的堆芯环境对材料的服役性能进行定向改造,即在兼顾材料优异综合性能的前提下增强材料某些方面的性能,进一步挖掘这类材料的核用潜能。比如:超临界水冷堆(堆芯环境:25MPa、~600℃和~70dpa)要求材料具有较高的抗高温蠕变、抗高温水蒸汽氧化及一定的耐中子辐照性能;而铅冷快堆(堆芯环境:0.1MPa、~800℃和~150dpa)则要求材料具有较高的高温强度、抗液态铅化学腐蚀及非常高的耐中子辐照性能。因此,如何通过高效、经济且便捷的调控手段实现FeCrAl ODS钢服役性能的定向改造制约着未来FeCrAl ODS钢能否预期投入超临界水冷堆和铅(或铅铋)冷快堆进行后续工程应用实践。

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