Способ изготовления полуфабриката из циркониевого сплава и применение полуфабриката

Способ изготовления полуфабриката из циркониевого сплава и применение полуфабриката

Реферат

Настоящее изобретение относится к способу изготовления полуфабриката из циркониевого сплава, предназначенного для получения длинномерного изделия, используемого для выполнения элементов топливных сборок.

Топливные сборки ядерных реакторов, охлаждаемых легкой водой, например ядерных реакторов, охлаждаемых водой под давлением (PWR), и ядерных реакторов, охлаждаемых кипящей водой (BWR), или топливные сборки реакторов CANDU («CANada Deuterium Uranium - тяжеловодный водо-водяной ядерный реактор производства Канады), содержат элементы, выполненные из циркониевого сплава и характеризующиеся слабым поглощением нейтронов в сердечнике ядерного реактора.

В случае сборок для ядерных реакторов типа PWR трубные оболочки топливных стержней и пластины, используемые для изготовления поперечных решеток-перемычек для топливной сборки, могут быть выполнены из циркониевого сплава, в частности из циркониевого сплава, включающего олово, железо, хром и, при необходимости, никель, такого как сплавы циркалой 2 или циркалой 4. Из таких же сплавов выполняют и заглушки, закрывающие с двух концов трубные оболочки.

Другие сплавы, такие как сплав, известный под коммерческим названием М5, в основном, включающие цирконий и ниобий, также используются для изготовления элементов топливных сборок в виде плоских изделий или длинных массивных, или трубных изделий.

Как правило, циркониевые сплавы, используемые для изготовления элементов топливных сборок, содержат, по меньшей мере, 97% по весу циркония, остальную часть состава, то есть не более 3% по весу, могут составлять различные элементы, в частности железо, олово или ниобий.

Циркониевые сплавы, отвечающие условиям состава, в зависимости от температуры и видов термической обработки могут представлять собой ту или иную из двух аллотропических форм циркония, то есть находиться в альфа-фазе, которая является фазой, стабильной при низкой температуре циркония, с компактной гексагональной структурой, или в бета-фазе, которая является фазой, стабильной при высокой температуре циркония с кубической структурой.

В некоторых температурных зонах или после некоторых видов обработки циркониевые сплавы, такие как технические сплавы, используемые для изготовления определенных выше элементов топливных сборок, могут иметь смешаную структуру альфа + бета.

Изготовление трубных изделий из циркониевого сплава, как правило, осуществляют путем экструзии заготовки, которую, в свою очередь, получают из слитка путем операций деформирования и, при необходимости, механической обработки.

Массивные длинные изделия (стержни), как правило, выполняют путем горячей прокатки с последующей холодной ковкой полуфабрикатов, полученных из слитков.

Обычно отливают слиток больших размеров, например, имеющий диаметр, находящийся в пределах от 400 мм до 700 мм и, как правило, от 600 мм до 660 мм. После этого слиток подвергают операциям ковки в температурном интервале, в котором он может быть в α-фазе, β-фазе или в фазе α+β (см. ЕР-0.085.552 и US-5.674.330). Операцию ковки слитка в β-фазе осуществляют при температуре, находящейся в пределах от 1000°С до 1100°С и, как правило, близкой к 1050°С, в случае сплава циркалой 4 для получения промежуточного продукта, такого как пруток или продукт квадратного или октогонального сечения, диаметр поперечного сечения которого (или диаметр круга, описанного вокруг поперечного сечения) находится в пределах от 250 мм до 400 мм. Например, в случае октогонального сечения оно может иметь диагональ длиной порядка 350 мм, которая соответствует диаметру описанного круга.

После этого промежуточный продукт подвергают ковке в α-фазе при температуре, находящейся в пределах от 700°С до 800°С, как правило, например, при 750°С, до получения прутка диаметром от 100 мм до 250 мм (как правило, диаметром 205 мм).

После этого, начиная от β-фазы (обычно, начиная от температуры, находящейся в пределах от 1000°С до 1150°С), проводят закалку либо прутка, полученного на предыдущем этапе ковки, либо заготовки в виде отрезка прутка, либо заготовки в виде прутка, просверленного в осевом направлении.

Наконец, для получения трубного изделия осуществляют прессование выдавливанием закаленной заготовки, полученной во время предыдущего этапа, или заготовки, полученной путем механической обработки закаленного прутка, полученного во время предыдущего этапа способа изготовления.

Для получения массивного длинного изделия осуществляют горячую прокатку закаленного прутка.

Во всех случаях перед операцией прессования выдавливанием, позволяющей получить конечное трубное изделие, или перед операцией горячей прокатки, позволяющей получить стержень меньшего диаметра, осуществляют изготовление полуфабриката в виде прутка, блока или заготовки способом, содержащим первый этап ковки в β-фазе исходного слитка и второй этап ковки в α-фазе промежуточного продукта, полученного в результате первого этапа ковки в β-фазе.

Описанный выше известный способ трансформации содержит первый этап ковки в β-фазе при высокой температуре, находящейся в пределах от 1000°С до 1100°С. После этого первого этапа ковки полученный промежуточный продукт охлаждают, по меньшей мере, до температуры окружающей среды, поскольку второй этап ковки в α-фазе осуществляют не сразу после первого этапа ковки в β-фазе.

Ковка слитка при очень высокой температуре является сложной и дорогостоящей операцией.

Кроме того, во время нагрева слитка до температуры, находящейся в пределах от 1000°С до 1100°С, осуществляемого перед первым этапом ковки, промежуточный слиток может абсорбировать водород при контакте с влажным воздухом или водой, фиксирующийся в материале в виде гидридов.

Как правило, присутствие в материале гидридов в виде крупнодисперсных выделений отрицательно сказывается на деформируемости в холодном виде и на коррозионной стойкости продуктов.

Задачей настоящего изобретения является разработка способа изготовления полуфабриката из циркониевого сплава, содержащего, по меньшей мере, 97% по весу циркония, предназначенного для получения, по меньшей мере, одного длинномерного изделия, при котором получают слиток больших размеров путем литья циркониевого сплава, затем полуфабрикат, предназначенный для деформирования с целью получения длинномерного изделия, при помощи ковки слитка больших размеров в два этапа, при этом данный способ позволяет упростить и сделать более дешевым изготовление длинномерного изделия и ограничить низкими значениями уровень присутствия гидридов в полуфабрикате и, следовательно, в конечном длинномерном изделии.

Для этого первый этап ковки слитка больших размеров осуществляют при температуре, при которой циркониевый сплав находится в состоянии, содержащем кристаллические α- и β-фазы.

Согласно отличительным признакам настоящего изобретения:

- при температуре первого этапа ковки слитка объемное содержание циркониевого сплава в α-фазе составляет от 10% до 90%, при этом остальная часть циркониевого сплава слитка находится в β-фазе;

- первый этап ковки осуществляют при температуре, находящейся в пределах от 850°С до 950°С;

- первый этап ковки осуществляют при температуре, примерно равной 900°С;

- первый этап ковки осуществляют при температуре, находящейся в пределах от 600°С до 950°С;

- второй этап осуществляют при температуре, при которой циркониевый сплав промежуточного продукта, полученного на первом этапе ковки слитка, находится в α-фазе;

- второй этап осуществляют при температуре, при которой циркониевый сплав промежуточного продукта, полученного на первом этапе ковки слитка, находится в состоянии, содержащем кристаллические α- и β-фазы циркониевого сплава, и

- циркониевый сплав суммарно включает не более 3% по весу добавки, являющейся, по меньшей мере, одним из элементов, таких как олово, железо, хром, никель, кислород, ниобий, ванадий и кремний, остальная часть сплава является цирконием, не считая неизбежных примесей.

Настоящее изобретение относится также:

- к применению способа для изготовления полуфабриката, такого как пруток или заготовка, предназначенного для получения трубного изделия для выполнения элемента топливной сборки, такого как трубная оболочка или направляющая труба для топливной сборки ядерного реактора, охлаждаемого водой, или элемента топливной сборки для реактора CANDU;

- к применению способа для изготовления прутка, предназначенного для получения прутка малого диаметра для выполнения заглушек, закрывающих концы трубных оболочек стержней топливной сборки ядерного реактора.

Для лучшего понимания настоящего изобретения способ изготовления полуфабриката, предназначенного для получения трубчатых изделий в соответствии с настоящим изобретением, будет описан в сравнении со способом из предшествующего уровня техники.

На чертеже упрощенно показана схема различных этапов способа изготовления полуфабриката.

На чертеже показан слиток 1, который может быть слитком больших размеров, диаметр которого может находиться в пределах от 400 до 700 мм, а длина - находиться в пределах от 2 до 3 м, полученным путем литья циркониевого сплава, используемого для изготовления трубных изделий для выполнения элементов топливной сборки.

В качестве циркониевого сплава можно использовать, например, сплав циркалой 2, содержащий по весу от 1,2% до 1,7% олова, от 0,07% до 0,20% железа, от 0,05% до 0,15% хрома, от 0,03% до 0,08% никеля, не более 120 частей на миллион кремния и 150 частей на миллион углерода, при этом остальное составляет цирконий, не считая обычных неизбежных примесей.

В качестве циркониевого сплава для изготовления длинномерного изделия можно также использовать циркалой 4, содержащий по весу от 1,2% до 1,7% олова, от 0,18% до 0,24% железа, от 0,07% до 0,13% хрома, не более 150 частей на миллион углерода, при этом остальное составляет цирконий и примеси.

В качестве циркониевого сплава для изготовления длинномерного изделия можно также использовать сплав типа М5, в основном содержащий цирконий и ниобий.

В соответствии с настоящим изобретением слиток нагревают до температуры, при которой циркониевый сплав находится в фазе α+β, для осуществления первого этапа ковки слитка в фазе α+β.

Температуру ковки в фазе α+β (первый этап способа) выбирают таким образом, чтобы объемное содержание α-фазы в сплаве слитка составляло от 10% до 90%, при этом остальная часть сплава находится в β-фазе.

Как правило, первый этап ковки осуществляют при температуре, находящейся в пределах от 850°С до 950°С, например, как правило, при 900°С в случае использования сплава циркалой 4. При этой температуре циркониевые сплавы типа циркалой находятся в фазе α+β. В случае циркониево-ниобиевых сплавов, таких как сплав М5, область α+β находится в температурном диапазоне, по существу, более широком, чем в случае сплавов типа циркалой, при этом данный диапазон находится в пределах от 600°С до 950°С.

Как и в случае известного способа, в котором ковку осуществляют при высокой температуре (например, при 1050°С), ковку слитка осуществляют до получения прутка или продукта квадратного или октогонального сечения, вписанного в круг диаметром, находящимся в пределах от 250 мм до 400 мм, как правило, в круг диаметром 350 мм.

Замена ковки в β-фазе при более высокой температуре ковкой в фазе α+β позволяет получить промежуточный продукт, характеристики которого аналогичны характеристикам известного промежуточного продукта, полученного на первом этапе ковки в β-фазе.

Понижение температуры ковки, например, на 150°С, позволяет получить существенную экономию при применении способа изготовления.

Кроме того, ковку можно осуществлять с использованием классических инструментов в силу незначительного изменения способа ковки.

В случае циркониево-ниобиевых сплавов, таких как М5, можно осуществлять ковку при температуре, по существу, ниже 900°С, при этом область α+β сплава находится в температурном диапазоне от 600°С до 950°С.

В первом варианте способа в соответствии с настоящим изобретением можно осуществлять второй этап ковки для получения полуфабриката из промежуточного продукта точно также, как и в случае способа, известного из предшествующего уровня техники, то есть осуществлять вторую ковку в α-фазе при температуре, находящейся в пределах от 700°С до 800°С, для получения прутка диаметром от 100 мм до 250 мм.

Согласно второму варианту способа можно осуществлять второй этап ковки для получения полуфабриката в виде прутка при такой же температуре, что и первый этап ковки, то есть на продукте в фазе α+β.

На фиг.1 схематично показана установка для ковки, позволяющая применять первый этап 2 ковки на слитке 1 при температуре, при которой слиток 1 находится в фазе α+β. На выходе первого этапа 2 ковки получают промежуточный продукт 3' в виде заготовки или прутка, из которого путем прессования выдавливанием или горячей прокатки можно получить конечное длинномерное изделие.

В качестве инструментов на первом этапе 2 ковки в фазе α+β и на втором этапе 4 ковки можно использовать классические инструменты, применяемые в рамках известного способа, в котором первый этап 2 осуществляют на слитке 1 в β-фазе, а второй этап 4 - на промежуточном продукте 3' в фазе α+β.

Второй этап 4 можно также осуществлять в α-фазе, как и в случае известного способа.

Промежуточный продукт 3', полученный после первого этапа ковки в фазе α+β, можно подвергнуть охлаждению любого типа.

Промежуточный продукт 3' может быть сразу нагрет до температуры второго этапа ковки, то есть до температуры, при которой продукт находится в α-фазе или в фазе α+β.

В случае, когда оба этапа ковки осуществляют в фазе α+β, можно предусмотреть сохранение температуры продукта между двумя этапами ковки.

Ковка слитка 1 в два этапа позволяет получить пруток или заготовку, диаметр которой находится в пределах от 100 мм до 250 мм и которая является полуфабрикатом, который затем подвергают прессованию выдавливанием или горячей прокатке для получения трубной детали или стержня малого диаметра, который может быть использован для изготовления элементов топливных сборок для ядерного реактора.

При проведении анализов на полуфабрикате 3 или на длинномерных изделиях, полученных из полуфабриката, было отмечено, что количество гидридов, содержащихся в сплаве, полученном с применением способа в соответствии с настоящим изобретением, существенно ниже количества гидридов, содержащихся в изделиях, полученных при помощи известного способа.

Кроме того, полуфабрикат или конечные длинномерные изделия, полученные из этого полуфабриката, имеют структурные и механические характеристики, аналогичные характеристикам продуктов, полученных при помощи известного способа.

В частности, свойства коррозийной стойкости и деформируемости трубных изделий, полученных из полуфабриката в соответствии с настоящим изобретением, существенно лучше этих же свойств изделия, полученного при помощи способа из предшествующего уровня техники.

Одним из преимуществ способа в соответствии с настоящим изобретением является упрощение способа изготовления полуфабриката с ограничением температуры ковки во время первого этапа ковки и возможность отказаться от охлаждения после первого этапа ковки. Таким образом, добиваются снижения себестоимости и затрат времени при использовании способа.

В случае сплавов циркалой 2 и циркалой 4 или любого циркониевого сплава, содержащего олово, переход сплава в фазу α+β для осуществления первого этапа и, при необходимости, второго этапа способа в соответствии с настоящим изобретением может привести к образованию сегрегаций олова. Однако эти сегрегации можно убрать во время последующих операций обработки в рамках получения конечного трубного изделия из полуфабриката. Это же относится и к элементам кислорода и азота.

В случае применения способа в соответствии с настоящим изобретением на ниобиевых сплавах, как уже было указано выше, поскольку переход между областями а и α+β происходит примерно при температуре 600°С, то температура ковки в фазе α+β может быть существенно ниже 900°С, хотя и следует при этом учитывать свойства ковкости сплава при температуре ковки.

Можно также предусмотреть применение способа в соответствии с настоящим изобретением для сплавов, отличающихся от Zircaloy или ниобийсодержащих сплавов. Как правило, эти сплавы содержат не более 3% по весу добавок, состоящих из, по меньшей мере, одного из элементов, таких как олово, железо, хром, никель, кислород, ниобий, ванадий и кремний, при этом остальная часть сплава является цирконием и неизбежными примесями.

В частности, настоящее изобретение применяется при изготовлении трубных изделий из циркониевого сплава для выполнения элементов топливных сборок, таких как трубные оболочки, содержащие таблетки топлива, или направляющие трубки для топливных сборок.

Настоящее изобретение применяется также при изготовлении прутков для заглушек, закрывающих концы трубных оболочек стержней топливных сборок.

Для получения конечного изделия из полуфабриката может возникнуть необходимость в осуществлении операций, следующих после очкового прессования, прессования выдавливанием или горячей прокатки, таких как пилигримовая прокатка, при этом между операциями деформирования могут быть осуществлены операции термической обработки.

Настоящее изобретение не ограничивается описанными вариантами выполнения.

Температура ковки в фазе α+β зависит от состава циркониевого сплава. Операции деформирования можно осуществлять с использованием средств, обычно применяемых для деформирования в α-фазе или β-фазе способа из предшествующего уровня техники, или других средств, адаптированных для ковки в фазе α+β, в один этап или в два этапа для получения полуфабриката.

Как правило, настоящее изобретение применяется для любого изделия из технического циркониевого сплава, определяемого приведенными выше пределами состава.

1. Способ изготовления полуфабриката из циркониевого сплава, содержащего по меньшей мере 97 вес.% циркония, предназначенного для получения по меньшей мере одного длинномерного изделия, включающий получение литьем слитка диаметром 400-700 мм и длиной 2-3 м и ковку полученного слитка в два этапа, при этом на первом этапе ковку проводят при температуре, соответствующей области существования α- и β-фазы сплава.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на первом этапе ковку слитка проводят при температуре, при которой объемное содержание α-фазы в слитке составляет от 10 до 90%, β-фазы - остальное.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что на первом этапе ковку слитка проводят при температуре 850-950°С.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что на первом этапе ковку слитка проводят при температуре, примерно равной 900°С.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что на первом этапе ковку слитка проводят при температуре 600-950°С.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что на втором этапе ковку слитка проводят при температуре, соответствующей области существования α-фазы сплава, полученного на первом этапе ковки слитка.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что на втором этапе ковку слитка проводят при температуре, соответствующей области существования α- и β-фазы сплава, полученного на первом этапе ковки слитка.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что циркониевый сплав содержит суммарно не более 3 вес.% по меньшей мере одного из элементов, таких как олово, железо, хром, никель, кислород, ниобий, ванадий и кремний, цирконий и неизбежные примеси - остальное.

9. Применение полуфабриката из циркониевого сплава, полученного способом по любому из пп.1-8, для получения трубного элемента топливной сборки из прутка или заготовки, такого как трубная оболочка или направляющая трубка топливной сборки ядерного реактора, охлаждаемого водой, или элемента топливной сборки реактора CANDU.

10. Применение полуфабриката из циркониевого сплава, полученного способом по любому из пп.1-8, для получения прутка малого диаметра для заглушек, закрывающих концы трубных оболочек стержней топливных сборок ядерного реактора.