一种核燃料元件用FeCrAl管材的制备工艺的制作方法

本发明涉及核燃料用FeCrAl合金管材的制备工艺。

背景技术：

在核电设计中，核安全的首道防线就是核燃料的包覆材料→包壳管，它的作用是把燃料芯体包覆起来，从而防止裂变产物释放到冷却剂中，要求其在整个使用过程中不能发生破损而导致放射性外溢，目前采用锆合金精密冷轧管来制作。在核反应堆中，锆合金包壳管所处的工况条件非常恶劣，不仅需要承受高温、高压和强烈的中子辐照，还要求耐高硼水腐蚀、应力腐蚀等，随时间延长，力学性能发生变化，强度升高，延性降低、变脆，因此每隔12个月就要更换一次，属于高消耗品。而FeCrAl合金材料由于其在高温腐蚀环境中生成Al的氧化物和Al的硫化物，表现出较强的抗氧化、抗腐蚀性能而引人注目，具有抗腐蚀、抗渗碳、抗氧化、耐磨等功能，起到保护基体的作用，具有优良的事故容错能力，而且具有比重轻，表面负荷高、价格低等一系列优点。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种核燃料元件用FeCrAl合金管材的制备工艺，采用冷轧加退火的方法，控制管坯的变形量，以及管材外径(壁厚)的变形梯度，减少不均匀变形，获得均匀、合适的组织，得到合格的精密管材，并满足更高的使用要求。

本发明具体提供了一种核燃料用FeCrAl合金管材的制备工艺，其工艺流程是：熔炼、锻造、固溶热处理、机加工钻孔、反复进行冷轧退火(通常为3～15次)、成品，其特征在于：

固溶热处理温度为700℃～1100℃，保温20～60分钟；冷轧过程中，每道次控制变形量10％～50％。

本发明提供的核燃料用FeCrAl合金管材的制备工艺，其特征在于：在室温下进行冷轧，轧制速度为15～60转/分。冷轧过程中，每道次均需要退火，退火温度在700℃～1100℃，保温20～60分钟。

本发明提供的核燃料用FeCrAl合金管材的制备工艺，其特征在于：在冷轧退火过程中，在轧制管坯壁厚＞2.5mm时，两次退火间采用小变形量10％～20％，小的变形使不均匀变形增加，产生的残余应力使内壁受力小于σb(抗拉强度)，当管坯壁厚≤2.5mm时，两次退火间的变形量为20％～50％。

本发明提供的核燃料用FeCrAl合金管材的制备工艺，其特征在于：冷轧退火过程中，前两道次可以采用保护气氛退火的方式，其它道次需采用真空退火。这样在制备出合格产品的同时节约了成本。

本发明提供的核燃料用FeCrAl合金管材的制备工艺，其特征在于：在轧制成成品后进行成品固溶热处理，热处理温度为700℃～1100℃，保温20～60分钟。

为使核燃料用FeCrAl合金管材顺利地进行冷轧，控制合金中杂质元素的含量，尽量减少冷轧过程中不均匀变形，降低每道次管材径向(壁厚)上的变形梯度，轧制出合格管材，本发明提供的具体工艺流程如下：

(1)熔炼：采用真空感应熔炼；

(2)锻造：控制变形量在10％～60％，锻成棒材；

(3)固溶热处理：700℃～1100℃，保温20～60分钟；

(4)机加工钻孔：平断面－打中心孔－车外圆－钻孔－扩孔－精车或精铰内孔－精车外圆－精磨外圆－倒角－修正；

(5)冷轧退火：轧制管坯壁厚＞2.5mm时，采用小变形量10％～20％，管坯壁厚≤2.5mm时，两次退火间的变形量为20％～50％，轧制速度在15～50转/分钟；冷轧过程中，每道次均需要退火，退火温度在700℃～1100℃，保温20～60分钟。

(6)成品；

(7)成品固溶热处理：热处理温度在700℃～1100℃，保温20～60分钟。

本发明与现有技术相比有如下优点：在LD系列多辊冷轧机上，在室温下冷轧FeCrAl合金管材，在冷轧过程中，控制每道次减径量及其与道次减壁量的匹配关系，使每道次管材组织均匀变形，并且不产生裂纹、麻坑等缺陷。具有尺寸精度高，内外表面光洁(见图1、2)的优点，可不经机械加工，即可制成管件，节省原材料和工时，工艺简单、经济、效益好。

附图说明

图1管坯照片；

图2成品管；

图3实施例1成品管材组织；

图4实施例2成品管材组织。

具体实施方式

下面将结合实施例来详述本发明：

实施例1

经真空感应熔炼FeCrAl合金铸锭，其成分配比为：Cr 13％；Al 5％；Y 0.05％；Mo1％；Si 0.005％；C 0.05％；N≤500ppm；O≤1000ppm；P≤500ppm；S≤500ppm；余量为Fe，在1000℃锻造成Φ28mm圆棒，变形量60％，再经800℃×30分钟固溶热处理，采用机加工钻孔的方法加工成Φ25mm×5mm管坯，将此管材进行冷轧、退火反复10次，轧制成Φ9.5mm×0.3mm管材。成品组织见图3，轧制过程参数见表1。

表1实施例1轧制过程参数

实施例2

经真空感应熔炼FeCrAl合金铸锭，其成分配比为Cr 8％；Al 6％；Y 0.09％；Mo5％；Si 0.01％；C 0.05％；N≤500ppm；O≤1000ppm；P≤500ppm；S≤500ppm；余量为Fe，在1000℃锻造成Φ28mm圆棒，变形47％，再经900℃×20分钟固溶热处理，采用机加工钻孔的方法加工成Φ25mm×5mm管坯，将此管材进行冷轧、退火反复10次，轧制成Φ10mm×0.2mm管材，其组织见图4，轧制过程参数见表2。

表2实施例2轧制过程参数

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。