锆合金的高通量制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种锆合金的高通量制备方法，其采用真空电子束焊接技术将不同成分的锆合金板材焊接在一起，实现准连续成分的单块板材的制备；对上述准连续成分的单块板材进行多道次冷轧，中间退火和最终退火处理，并对其进行高温高压水或蒸汽的腐蚀试验，建立锆合金耐腐蚀性能与成分的关系，实现锆合金成分的筛选，进而获得更高性能的锆合金材料，加快高性能锆合金的研发进程。
【专利说明】
锆合金的高通量制备方法
技术领域
[0001]本发明涉及锆合金材料制备技术领域，特别是涉及一种锆合金的高通量制备方法。
【背景技术】
[0002]锆合金因具有热中子吸收截面小，与二氧化铀的相容性好，并具有优异的耐高温水腐蚀性能、良好的综合力学性能和理想的热导率等优点，而被广泛作为水冷核反应堆中核燃料包壳的一种重要结构材料。目前国际上开发的锆合金主要有Zr-Sn、Zr-Nb和Zr-Sn-Nb三大系列，而Zr-Sn系中的Zr-4合金已经不能满足高燃耗燃料组件和延长换料周期的要求。目前，为了加深核燃料的燃耗，延长换料周期，进一步降低核电成本，需要开发高燃耗的燃料组件，这对锆合金的性能提出了更高的要求。锆合金在高温高压水中的耐腐蚀性能是影响其服役寿命最主要的因素，而成分对其耐腐蚀性能有显著影响，所以提高锆合金的耐水侧腐蚀性能是关键。采用高通量制备和表征方法可以快速建立锆合金耐腐蚀性能与成分之间的关系，实现锆合金成分的优化，加快高性能锆合金的研发进程。
[0003]为了更好地适应我国核电发展的形势，在现有锆合金基础上采用高通量制备和表征方法快速建立锆合金耐腐蚀性能与成分的关系，实现锆合金成分的筛选，进而开发出具有我国自主知识产权的高性能锆合金材料，对摆脱核用锆合金包壳材料完全依赖进口的局面具有深远的意义。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是提供一种锆合金的高通量制备方法，采用高通量制备方法获得准连续成分的锆合金块体材料，在单块材料上同时获得多成分合金，快速建立锆合金耐腐蚀性能与成分的关系，实现锆合金成分的筛选，进而研发出更高性能的锆合金材料。
[0005]本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的:一种锆合金的高通量制备方法，其特征在于，其包括以下步骤:
步骤一、选择有应用前景或已商用的Zr-Sn、Zr-Nb和Zr-Sn-Nb三大系列锆合金作为基础合金；
步骤二、使用真空电子束焊接机实现真空电子束焊接，将不同成分的锆合金板材组装在一起，实现准连续成分的单块板材的制备；
步骤三、对上述准连续成分的单块板材进行多道次冷乳，每道次压下量为40%-55%，两道次冷乳之间进行550-600°C/1-2 h的中间退火，最终进行550-600°C/1-5 h退火处理；步骤四、将上述最终退火处理后的板材放入高压釜中进行高温高压水或蒸汽的腐蚀试验，获得覆盖氧化膜的腐蚀样品；
步骤五、用光学显微镜或扫描电子显微镜逐点测量腐蚀样品氧化膜的厚度，用电子探针逐点测量合金成分，依据氧化膜厚度与锆合金耐腐蚀性能经典关系，即氧化增重与氧化膜厚度的换算公式15mg/dm2 =1 mm，快速建立错合金耐腐蚀性能与成分的关系，实现错合金成分的筛选，进而获得多个耐腐蚀性能优良的锆合金成分。
[0006]优选地，所述步骤二将2-6块不同成分的锆合金板材组装在一起，可获得准连续成分的块体材料，还可同时进行氧化膜厚度与合金成分的高通量表征。
[0007]优选地，所述步骤三中的多道次冷乳为2-4道次冷乳，获得合适的冷乳变形量。
[0008]优选地，所述步骤四中的高压釜中腐蚀试验的介质为高温高压水或过热水蒸汽或L1H水溶液或L1H+硼酸水溶液，进行多种条件的耐腐蚀性能表征有利于成分的优选。
[0009]本发明的积极进步效果在于:本发明锆合金的高通量制备方法可以获得准连续成分的锆合金块体材料，结合氧化膜厚度可以优选出耐腐蚀性能优异的锆合金成分，即氧化膜厚度较小区域所对应的成分。可见用高通量制备和表征方法研究成分对锆合金耐腐蚀性能的影响可以得到非常丰富的信息，便于筛选出耐腐蚀性能更优良的新锆合金。
【附图说明】
[0010]图1为本发明的样品在360°C/18.6 MPa/0.01 M/L1H水溶液中腐蚀100 d时焊接面一侧氧化膜厚度与合金成分的变化曲线示意图。
【具体实施方式】
[0011]下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
[0012]本发明锆合金的高通量制备方法包括以下步骤:
步骤一、选择有应用前景或已商用的Zr-Sn、Zr-Nb和Zr-Sn-Nb三大系列锆合金作为基础合金；
步骤二、使用真空电子束焊机实现真空电子束焊接，将不同成分的锆合金板材组装在一起，实现准连续成分的单块板材的制备；
步骤三、对上述准连续成分的单块板材进行多道次冷乳，每道次压下量为40%-55%，两道次冷乳之间进行550-600°C/l-2h的中间退火，最终进行550-600°C/1-5 h退火处理；
步骤四、将上述板材放入高压釜中进行高温高压水或蒸汽的腐蚀试验，获得覆盖氧化膜的腐蚀样品；
步骤五、用光学显微镜或扫描电子显微镜逐点测量腐蚀样品氧化膜的厚度，用电子探针逐点测量合金成分，依据氧化膜厚度与锆合金耐腐蚀性能经典关系，即氧化增重与氧化膜厚度的换算公式15mg/dm2 =1 um，快速建立错合金耐腐蚀性能与成分的关系，实现错合金成分的筛选，进而获得多个耐腐蚀性能优良的锆合金成分。
[0013]所述步骤二可以是将2-6块不同成分的锆合金板材组装在一起。所述步骤三中的多道次冷乳为2-4道次冷乳。所述步骤四中的高压釜中腐蚀试验的介质为高温高压水或过热水蒸汽或L1H水溶液或L1H+硼酸水溶液。
[0014]实施例一:本发明锆合金的高通量制备方法的具体制备过程如下:
步骤一、基于已商用或有应用前景的Zr-Sn、Zr-Nb和Zr-Sn-Nb三大系列错合金的成分，设计了成分为Zr-1.8Sn-0.5Nb_0.2Fe_0.2Cr、Zr-1.5Sn-0.2Fe_0.1Cr和Zr-1.0Sn-0.22Nb-
0.12Fe的合金。
[0015]步骤二、将上述成分的合金板使用真空电子束焊接机进行真空电子束焊接； 步骤三、将焊接面磨平后，平行于焊缝将上述准连续成分的单块板材进行三道次冷乳，每道次压下量为45%，两道次冷乳之间进行560° C/1.5 h的中间退火，最终进行580° C/3 h退火处理。
[0016]步骤四、垂直于焊缝将试样剪切成片状样品，用标准方法酸洗和去离子水清洗后放入高压釜中进行360°C/18.6 MPa/0.01 M/L1H水溶液的高温高压水腐蚀试验，获得覆盖氧化膜的腐蚀样品。
[0017]步骤五、用光学显微镜或扫描电子显微镜逐点测量腐蚀样品氧化膜的厚度，用电子探针逐点测量合金成分，快速建立锆合金耐腐蚀性能与成分的关系，实现锆合金成分的筛选，进而获得多个耐腐蚀性能优良的锆合金成分。
[0018]由图1可知通过上述锆合金的高通量制备方法可以获得准连续成分的锆合金块体材料，结合氧化膜厚度可以优选出耐腐蚀性能优异的锆合金成分，即氧化膜厚度较小区域所对应的成分。可见用高通量制备和表征方法研究成分对锆合金耐腐蚀性能的影响可以得到非常丰富的信息，便于筛选出耐腐蚀性能更优良的新锆合金。
[0019]本发明涉及一种水冷核反应堆中用作核燃料包壳锆合金的高通量制备方法，即快速建立锆合金耐腐蚀性能与成分关系的高通量制备和表征方法，属于锆合金材料制备技术领域。本发明采用真空电子束焊接技术将不同成分的锆合金板材焊接在一起，实现准连续成分的单块板材的制备;对上述准连续成分的单块板材进行多道次冷乳，中间退火和最终退火处理，并对其进行高温高压水或蒸汽的腐蚀试验，建立锆合金耐腐蚀性能与成分的关系，实现锆合金成分的筛选，进而获得更高性能的锆合金材料，加快高性能锆合金的研发进程。
[0020]以上所述的具体实施例，对本发明的解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种锆合金的高通量制备方法，其特征在于，其包括以下步骤: 步骤一、选择有应用前景或已商用的Zr-Sn、Zr-Nb和Zr-Sn-Nb三大系列锆合金作为基础合金； 步骤二、使用真空电子束焊接机实现真空电子束焊接，将不同成分的锆合金板材组装在一起，实现准连续成分的单块板材的制备； 步骤三、对上述准连续成分的单块板材进行多道次冷乳，每道次压下量为40%-55%，两道次冷乳之间进行550-600°C/1-2 h的中间退火，最终进行550-600°C/1-5 h退火处理； 步骤四、将上述最终退火处理后的板材放入高压釜中进行高温高压水或蒸汽的腐蚀试验，获得覆盖氧化膜的腐蚀样品； 步骤五、用光学显微镜或扫描电子显微镜逐点测量腐蚀样品氧化膜的厚度，用电子探针逐点测量合金成分，依据氧化膜厚度与锆合金耐腐蚀性能经典关系，即氧化增重与氧化膜厚度的换算公式15mg/dm2 =1 mm，快速建立错合金耐腐蚀性能与成分的关系，实现错合金成分的筛选，进而获得多个耐腐蚀性能优良的锆合金成分。2.如权利要求1所述的锆合金的高通量制备方法，其特征在于，所述步骤二将2-6块不同成分的锆合金板材组装在一起，获得准连续成分的块体材料，同时进行氧化膜厚度与合金成分的高通量表征。3.如权利要求1所述的锆合金的高通量制备方法，其特征在于，所述步骤三中的多道次冷乳为2-4道次冷乳，获得合适的冷乳变形量。4.如权利要求1所述的锆合金的高通量制备方法，其特征在于，所述步骤四中的高压釜中腐蚀试验的介质为高温高压水或过热水蒸汽或L1H水溶液或L1H+硼酸水溶液，进行多种条件的耐腐蚀性能表征有利于成分的优选。
【文档编号】C22C16/00GK105834691SQ201610291063
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年5月5日
【发明人】姚美意, 孙蓉蓉, 张金龙, 黄娇, 周邦新, 李强
【申请人】上海大学