Дисперсионно-упрочненный жаропрочный сплав на основе ni и способ для его получения

Дисперсионно-упрочненный жаропрочный сплав на основе ni и способ для его получения

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Настоящее изобретение относится к дисперсионно-упрочненному жаропрочному сплаву на основе никеля (Ni), применяемому в качестве материала для трубчатой оболочки тепловыделяющего элемента реакторов на быстрых нейтронах и к способу его получения.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] От материалов активной зоны реакторов на быстрых нейтронах требуется превосходная стойкость к деформации ползучести и вызванному средой растрескиванию при высоких температурах в средах с интенсивным излучением. В прототипном реакторе Монжу (Monju) использована аустенитная нержавеющая сталь SUS316 для трубчатой оболочки тепловыделяющего элемента, к которым применимы наиболее строгие условия среди материалов активной зоны реакторов на быстрых нейтронах.

[0003] В качестве износостойких высокопрочных деталей легководных ядерных реакторов используется стеллит или инконель; однако, что касается стеллита, то радиоактивация, связанная со сплавом на основе кобальта (Co), является важной проблемой при техническом обслуживании, а что касается инконеля, то важной проблемой является коррозионное растрескивание под напряжением на границах зерен. В качестве материала-кандидата для трубчатой оболочки тепловыделяющего элемента охлаждаемых водой со сверхкритическими параметрами реакторов, приведен пример стали SUS310; однако на высокотемпературной стороне при 700°C стабильность их аустенитной фазы является низкой, и поэтому хрупкость α-фазы является важной проблемой.

[0004] На Фиг.9 показано соотношение между диаграммами TTC (диапазоны времени старения - температуры - коррозии), относящимся к охрупчиванию при старении аустенита стали SUS316 (γ-фазы), и стабильностью ее γ-фазы. На левой диаграмме IGC - это коррозия на границах зерен (межкристаллитная коррозия), относящаяся к образованию σ-фазы и обедненного хромом (Cr) слоя карбида на границах зерен, а MPC (Martensite Path Corrosion, коррозия мартенситного следа) представляет собой вдавленную область с коррозионной стойкостью на границе зерен и внутри зерна, которой сопутствует образование плоскости с высоким содержанием Cr и плоскости с низким содержанием Cr на уровне кристаллографической плоскости за счет спинодального распада вызванного обработкой мартенсита или остаточного феррита, который образуется в зависимости от теплового гистерезиса при холодной обработке давлением или т.п., и времени старения. Это вызвано тем, что сама по себе γ-фаза обладает низкой стабильность в переохлажденном состоянии, и во время старения возникает структурное изменение в практическом температурном диапазоне, как представлено на левой диаграмме.

[0005] В реакторе на быстрых нейтронах при высокотемпературном режиме работы для теплопередающих труб теплообменника необходим жаропрочный сплав, стойкий к высоким температурам на уровне 700°C; но существующий сплав инконель 690 и т.п. не являются дисперсионно-упрочненными сплавами, и их механическая прочность неудовлетворительна.

[0006] Существующие материалы из аустенитной нержавеющей стали, такой как JIS SUS304 или SUS316, содержат Cr в количестве 16 мас.% или более и могут легко образовывать пассивирующую пленку, проявляя превосходную коррозионную стойкость, и, в дополнение, эти материалы обладают превосходной формуемостью и вязкостью, присущей гранецентрированным кубическим кристаллам, и широко используются в качестве конструктивных материалов активной зоны для атомных реакторов. Однако эти материалы обладают низким содержанием Ni 20% или менее, и поэтому термодинамическая стабильность самой по себе аустенитной фазы при рабочих температурах является недостаточной. При условиях реакторов на быстрых нейтронах, которые принимают тяжелое облучение быстрыми нейтронами в широком температурном диапазоне от 250 до 700°C, легко возникает радиационное охрупчивание в низко- или среднетемпературном диапазоне от 250 до 450°C и легко происходит деформирование вследствие изменения объема и ползучести при облучении за счет радиационного распухания при 450°C или выше. Следовательно, материалы являются неудовлетворительными с точки зрения жаропрочности и стойкости к облучению, и их трудно применять в реакторах на быстрых нейтронах.

[0007] На Фиг.10 показано влияние стабильности γ-фазы на стойкость к облучению (стойкость к радиационному распуханию). Стойкость к облучению является наиболее превосходной при условии соотношения Fe/Ni, при котором γ-фаза стабилизируется в виде твердого раствора.

[0008] В качестве сплавов, обладающих повышенной стойкостью к облучению, были разработаны аустенитные нержавеющие стали, такие как PNC316 и PNC 1520. При их использовании можно контролировать латентный период перед радиационным распуханием. Однако после возникновения радиационного распухания рост/укрупнение пустот происходит пропорционально уровню (времени) облучения, и поэтому прототипные реакторы на уровне облучения вплоть до примерно 100 dpa находятся в приемлемом диапазоне, а для практически применяемых реакторов требуется какой-то другой материал, обладающий улучшенной стойкостью к облучению на уровне облучения 250 dpa.

[0009] Учитывая эту ситуацию, в качестве материала трубчатой оболочки тепловыделяющего элемента для будущих реакторов на быстрых нейтронах, способного решить проблемы существующих аустенитных нержавеющих сталей, в Европе и Америке активно проводятся исследования и разработки дисперсионно-упрочненных жаропрочных сплавов на основе Ni; и были разработаны сплав Нимоник PE16, используемый в прототипных реакторах в Англии, и новые сплавы, созданные путем модификации американских промышленных сплавов типа инконеля. В патентном документе 1 раскрыт аустенитный сплав на основе Fe-Ni, обладающий превосходной стойкостью к нейтронному облучению и стойкостью к натриевой коррозии, который используется для деталей активной зоны ядерных реакторов-размножителей на быстрых нейтронах, таких как трубчатые оболочки тепловыделяющего элемента.

[0010] В качестве технологии материалов в другой системе для решения проблем с существующими аустенитными нержавеющими сталями, например, была разработана ферритная сталь. Ферритная сталь обладает объемно-центрированной кубической кристаллической структурой, который вряд ли претерпевает радиационное распухание, и поэтому для металлических трубчатых оболочек тепловыделяющих элементов реакторов на быстрых нейтронах для использования в качестве реакторов-размножителей, работающих при низких температурах, в США в основном используется HT9 или т.п. Однако механическая прочность при высокой температуре ферритной стали является низкой по сравнению с механической прочностью аустенитной стали, и поэтому ее жаропрочность является проблематичной. Следовательно, патентный документ 2 раскрывает мартенситную сталь с оксидным дисперсионным упрочнением (мартенситная ODS-сталь), обладающей превосходной высокотемпературной прочностью.

Список цитирования

Патентные документы

[0011] Патентный документ 1: JP-B-2574497

Патентный документ 2: JP-B-3753248

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Проблемы, решаемые изобретением

[0012] Жаропрочный сплав на основе Ni, такой как PE16, который был разработан в Англии, содержит Ni в количестве почти 45 мас.% и предназначен для того, чтобы достигать дисперсионного упрочнения интерметаллического соединения регулярной фазы типа Ni₃(Al,Ti), называемой γ'-фазой, и карбида, такого как М₆С, за счет добавления Mo и углерода. Однако в жаропрочном сплаве на основе Ni, таком как PE16, интерметаллическое соединение и карбид укрупняются и растут на границе зерна при 700°C, что попадает в реальный высокотемпературный диапазон для трубчатых оболочек тепловыделяющих элементов, и на границах зерен происходит сегрегация примесей, и, в дополнение, поскольку выделения представляют собой соединения регулярной фазы, их эффект захвата He, образующегося при реакции ядерного превращения, мал, и поэтому выделения переходят в границу зерна, легко образуя пузырьки; и, вследствие этих способствующих факторов, граница зерна становится крайне хрупкой. Следовательно, при практическом использовании, снижение пластичности представляет собой серьезную проблему. В сочетании с этими свойствами, возникает тенденция к возникновению в них распухания пустот.

[0013] В дополнение, жаропрочный сплав на основе Ni, такой как PE16, обладает тем свойством, что при 800°C или выше термодинамическая стабильность самой γ'-фазы Ni₃(Al,Ti) является основным фактором быстрого снижения дисперсионного упрочнения, и имеется тенденция к легкому растворению этой фазы. Следовательно, температура дисперсионного упрочнения при конечном тепловом гистерезисе жаропрочного сплава на основе Ni, такого как PE16, составляет около 750°C и является низкой. В текущей разработке реакторов на быстрых нейтронах температура во время переходных событий при проектировании прототипного реактора Монжу составляла 830°C, а конечная температура термообработки, которая является условием для температурного диапазона работы по правилам безопасности для применяемых на практике реакторов, должна быть выше, чем эта температура.

[0014] Что касается ферритной стали дисперсионно упрочненного оксидами типа, когда реактор находится в реальном высокотемпературном диапазоне 700°C, то термодинамическая стабильность выделений карбида или оксида снижается из-за влияния трития, образующегося за счет тройного деления топлива, и водорода, образующегося за счет реакции ядерного превращения материала, составляющего ядерные частицы, или вследствие повышения реакционной способности жидкого металлического натрия, и углерод или кислород, которые составляют выделения, будут диффундировать назад в сторону материала первичного охлаждения, наряду с Cr, тем самым легко обеспечивая значительное изменение структуры металла, что было обнаружено в ходе экспериментов с применением ферритной стали и экспериментов по облучению стержневого твэла в США. Следовательно, предельной температурой для ферритной стали считается 650°C.

[0015] В дополнение, ферритная сталь обладает высокой чувствительностью к вызванному водородом растрескиванию, характерному для объемно-центрированных кубических кристаллов, и поэтому сталкивается с присущим ей риском того, что со стороны низких температур легко возникает водородная хрупкость даже при минимальном количестве водорода, а со стороны высоких температур легко возникает хрупкость из-за реакции образования метана, что называется водородной коррозией, в зависимости от активности углерода при содержании Cr. В дополнение, со стороны высоких температур другая опасность касается того, что Na выделяется и диффундирует на поверхности путем массопереноса в жидком металлическом натрии в контуре системы первичного охлаждения, тем самым вызывая аустенизацию ферритной стали с резким снижением стойкости к облучению. С другой стороны, что касается химического взаимодействия топлива с оболочкой (FCCI, Fuel Cladding Chemical Interaction) со стороны топлива, то с ферритной сталью связан риск того, что содержание Cr в ней мало, и защитной оксидной пленке трудно образоваться с точки зрения реакции окисления и способности к химической реакции с продуктом деления (FP, fission product).

[0016] Ферритная сталь с оксидным дисперсионным упрочнением обладает тем свойством, что со стороны высоких температур может легко образовываться хрупкая σ-фаза ввиду фазовой стабильности феррита или мартенсита, а со стороны низких температур может легко происходить спинодальный распад, и поэтому содержание Cr ограничено 12 мас.% или менее, или, иначе говоря, сталь не может содержать Cr в количестве 16% или более, что необходимо для пассивации в реальных средах. Следовательно, сталь является неподходящей для коррозионных сред, таких как высокотемпературный воздух или водные/влажные среды, и использование стали может привести к некоторым проблемам при хранении в воде и при переработке влажного типа в процессе ядерного топливного цикла. Следовательно, в США применение ферритной стали ограничено металлическими трубчатыми оболочками тепловыделяющих элементов реакторов на быстрых нейтронах, предназначенных для использования в качестве реакторов-размножителей или реакторов ядерного превращения, работающих при низких температурах 650°C или менее. Иными словами, это история о том, что ферритная сталь была разработана для систем ядерного топливного цикла, включающих сухое хранение в инертном газе и переработку влажного типа, которая отличается от существующих способов. Следовательно, для обеспечения коррозионной стойкости, необходимой для высокотемпературной эксплуатации реакторов на быстрых нейтронах, которые должны удовлетворять требованиям превосходной эффективности производства электроэнергии в качестве основной технологии на широкой линейке существующих систем легководных реакторов в нашей стране, или для системы ядерного топливного цикла, которая предполагает хранение в воде, переработку влажного типа и т.п., использование ферритной стали с оксидным дисперсионным упрочнением и т.п. значительно ограничено по техническим причинам.

[0017] С другой стороны, ODS-сталь производится по малотоннажной периодической технологии, сопутствующей порошковой металлургии, и непригодна для массового производства в промышленном масштабе, или, иными словами, производство такой стали обладает экономической проблемой. В дополнение, ODS-сталь является композиционным материалом и представляет техническую трудность при неразрушающем контроле.

[0018] Технические проблемы, связанные с существующими материалами, сопоставлены в Таблице 1.

[0019]

Таблица 1
Название сплава	FMS	ODS	SUS316	Усовершенствованная SUS	Сплав с высоким содержанием Ni
Кристаллическая система	Ферритная/мартенситная сталь с оцк-структурой и высоким содержанием Cr	низкая------стабильность γ-фазы гцк-типа-----высокая
Материал, подвергаемый исследованию при текущем применении	9Cr, 12Cr16-23Cr	Дисперсия Y2O3 на основе 9Cr и 12Cr	PNC316	PNC1520	Основные применяемые на практике сплавы, такие как Инконель 706, 625 и PE16.
Предпосылки для выбора	Подкладочный материал SU316	СШАODS на основе Fe (начиная с 1980 г.)	США Технические результаты в материале-кандидате Монжу	Эксперименты с британским топливом AGR и т.д.	Сплав с высоким сопротивлением ползучести на основе Ni
Свойства	Превосходная стойкость к распуханию стали с оцк-структурой	SUS, богатая на выгодные опыты	Стабильность γ-фазы выше, чем в случае 316.	Стойкость к распуханию и высокое сопротивление ползучести
Цель разработки	Сопротивление высокотемпературной ползучести	Сопротивление высокотемпературной ползучести	Стойкость к распуханию	Высокотемпературная прочность, стойкость к распуханию	Исследование применимости суперсплава
Планирование сплава	Контроль структуры путем использования фазового перехода	Дисперсия оксида, эффект избыточного выделения кислорода	Приготовление минимального ингредиента для задержки периода скрытого распухания	Приготовление минимального ингредиента и повышение стабильности γ-фазы	Обеспечение стабильности γ-фазы и стойкости к FCCI
Результаты оценки	Условия применения ограничены из-за высокотемпературной ползучести	Обеспечение стойкости к облучению и сопротивления высокотемпературной ползучести при целевой температуре в реальных реакторах	Контрольные пределы распухания, существующие согласно методу расширения в ряд для переходного режима	Снижение стойкости к распуханию и пластичности при средней или низкой температуре	Пример выбора состава: легированная Ni сталь на основе 15Cr-(35/45)Ni с контролируемым отношением Mo/W

Проблема	- Значительные ограничения по переработке влажного типа (возможность условий мягкого растворения для топлива глубокого выгорания, смешанного оксидного топлива (MOX) и применимости механического удаления оболочки и т.д.).- Снижение пластичности в средне- или низкотемпературном диапазоне, присущее стали с высоким содержанием Cr (ограничение поглощения энергии трубчатой оболочкой и т.д.)	Скорость стационарного распухания велика	Предел составляет примерно 150 dpa	Предел составляет примерно 150 dpa	Необходимо подавление охрупчивания границ зерен
Замедление массопереноса, сопровождаемого разностью химических потенциалов между различными материалами в контуре жидкого металлического натрия

[0020] В будущем представляется необходимым сконструировать системы ядерного топливного цикла, сфокусированные на работающие при высокой температуре реакторы на быстрых нейтронах вместо существующих энергетических реакторов. Согласно вышеупомянутым точкам зрения, для трубчатых оболочек твэлов с MOX-топливом, предназначенных для использования в этих реакторах, необходимо удовлетворить требования не только по стойкости к облучению и жаропрочности, но и по совместимости с жидкометаллическим натрием - материалом первичного охлаждения и с топливом, и, в дополнение, также требуется, чтобы такие трубы обладали превосходной коррозионной стойкостью на воздухе под действием радиации в процессе ядерного топливного цикла, при хранении в воде или в процессе растворения отработанного топлива азотной кислотой, и т.д., и, кроме того, необходимо, чтобы затраты на использование энергетических реакторов не превышали текущие затраты более чем в 2 раза; и является желательным создать технологию материалов с высокими технологическими или эксплуатационными показателями, способную исчерпывающим образом удовлетворять требования по стойкости к облучению, жаропрочности, коррозионной стойкости и стоимостным характеристикам.

[0021] Задачей настоящего изобретения является обеспечение дисперсионно-упрочненного жаропрочного сплава на основе Ni, обладающего превосходной стойкостью к облучению, жаропрочностью, коррозионной стойкостью и стоимостными характеристиками, а также способа его получения.

Средства для решения проблем

[0022] Дисперсионно-упрочненный жаропрочный сплав на основе Ni согласно настоящему изобретению включает, в мас. %, 0,01% или менее С, 0,5% или менее Mn, 0,01% или менее Р, 0,01% или менее S, от 2,0 до 3,0% Si, от 23 до 30% Cr, от 7,0 до 14,0% W, от 10 до 20% Fe и от 40 до 60 мас. % Ni, причем общее содержание С, N, О, Р и S составляет 0,01 мас. % или менее, и диспергируется и выделяется силицид, а размер зерен матричного аустенита регулируется до заданного размера зерен. Что касается содержания С, Mn, Р и S и общего содержания С, N, О, Р и S, то их нижний предел составляет 0 мас. %.

[0023] Согласно вышеописанному составу, распухание пустот зависит от стабильности аустенитной фазы. Следовательно, в качестве меры повышения энергии дефектов упаковки, которая определяет легкость образования пустот за счет снижения концентрации электронов-дырок, неизбежно повышение содержания Ni. Принимая во внимание то, что вследствие генерирования радиационно-индуцированной сегрегации (radiation-induced segregation, RIS) при условиях жесткого облучения концентрация Cr на границах зерен становится ниже на примерно 10%, чем в матрице, содержание Cr необходимо серьезно повысить. Следовательно, состав выполнен имеющим высокое содержание Ni и высокое содержание Cr. Стойкость к облучению и коррозионная стойкость могут быть обеспечены путем регулирования базового состава сплава.

[0024] Жаропрочный сплав на основе Ni обладает большой стойкостью к деформированию по границам зерен, и поэтому, когда остаточное количество примесей, оказывающих большой эффект помех металлическим связям, таких как P, S, B, щелочные металлы и галогены, которые снижают механические свойства на границах зерен, высоко, то повышается чувствительность к образованию усадочных трещин или высокотемпературному растрескиванию и повышается чувствительность к коррозионному растрескиванию под напряжением на межзеренных границах или водородному охрупчиванию при вызванном средой растрескивании. Следовательно, общее содержание C, N, О, P и S составляет 0,01 мас.% или менее. Соответственно, могут быть обеспечены механические свойства и коррозионная стойкость на межзеренных границах.

[0025] Интерметаллическое соединение для достижения упрочнения дисперсоидами, которое является важным для поддержания сопротивления высокотемпературной ползучести, должно обладать достаточной термодинамической стабильностью в широком температурном диапазоне вплоть до 900°C. В качестве интерметаллического соединения, способного поддерживать сопротивление высокотемпературной ползучести и с трудом растворяющегося при жестком облучении, γ'-фаза PE16 и т.п. непригодна. Следовательно, из известных сведений о том, что стабильным выделением в аустенитной нержавеющей стали после жесткого облучения является силицид, называемый G-фазой, сам по себе Si обладает эффектом предотвращения распухания пустот, а из силицидов соединения на основе W-Si обладают самой низкой растворимостью в высокотемпературном диапазоне, можно сделать вывод, что в качестве такого интерметаллического соединения может быть использован силицид, такой как силицид вольфрама, обладающий высокой термодинамической стабильностью. Силицид диспергируется и выделяется в нем, а размер зерен матричного аустенита регулируют до заданного размера зерен, вследствие чего может быть обеспечено сопротивление высокотемпературной ползучести.

[0026] При использовании горячего прессования (горячей экструзии) в процессе производства трубчатых оболочек тепловыделяющих элементов существующего промышленного уровня, здесь становится возможным массовое производство трубчатых оболочек тепловыделяющих элементов, и поэтому требования к стоимостным характеристикам энергетических реакторов промышленного уровня могут быть удовлетворены.

[0027] Следовательно, становится возможным обеспечение дисперсионно-упрочненного жаропрочного сплава на основе Ni, обладающего превосходной стойкостью к облучению, жаропрочностью, коррозионной стойкостью и стоимостными характеристиками.

[0028] В дисперсионно-упрочненном жаропрочном сплаве на основе Ni согласно настоящему изобретению силицид может быть силицидом вольфрама. Согласно вышеупомянутой особенности, среди силицидов, соединения на основе W-Si обладают самой низкой растворимостью в высокотемпературном диапазоне, и поэтому сопротивление высокотемпературной ползучести может быть подходящим образом обеспечено за счет диспергирования и выделения силицида вольфрама, обладающего высокой термодинамической стабильностью.

[0029] В дисперсионно-упрочненном жаропрочном сплаве на основе Ni согласно настоящему изобретению силицид может быть диспергирован и выделен в диапазоне от 20 до 40 об.%. Согласно вышеупомянутой особенности может быть обеспечен дисперсионно-упрочненный жаропрочный сплав на основе Ni, обладающий превосходными свойствами сопротивления высокотемпературной ползучести.

[0030] Способ получения дисперсионно-упрочненного жаропрочного сплава на основе Ni согласно настоящему изобретению включает: этап формирования слитков сверхвысокой чистоты с образованием слитка сплава на основе Ni путем плавки исходного материала таким образом, чтобы он имел состав, включающий, в мас. %, 0,01% или менее С, 0,5% или менее Mn, 0,01% или менее Р, 0,01% или менее S, от 2,0 до 3,0% Si, от 23 до 30% Cr, от 7,0 до 14,0% W, от 10 до 20% Fe и от 40 до 60 мас. % Ni, причем общее содержание С, N, О, Р и S составляет 0,01 мас. % или менее; и этап термомеханической обработки с подверганием слитка сплава на основе Ni термомеханической обработке для диспергирования и выделения в нем силицида и регулированием размера зерен матричного аустенита до заданного размера зерен.

[0031] Согласно вышеупомянутой особенности распухание пустот зависит от стабильности аустенитной фазы. Следовательно, в качестве меры повышения энергии дефектов упаковки, которая определяет легкость образования пустот за счет снижения концентрации электронов-дырок, неизбежно повышение содержания Ni. Принимая во внимание, что из-за генерирования радиационно-индуцированной сегрегации, кратко называемой RIS, при условиях жесткого облучения концентрация Cr на межзеренных границах становится ниже на примерно 10%, чем в матрице, необходимо серьезно повысить содержание Cr. Следовательно, состав сплава делают имеющим высокое содержание Ni и высокое содержание Cr. Стойкость к облучению и коррозионная стойкость могут быть обеспечены путем регулирования базового состава сплава.

[0032] Жаропрочный сплав на основе Ni обладает большой стойкостью к деформированию по межзеренной границе, и поэтому, когда остаточное количество примесей, оказывающий большой эффект создания помех металлическим связям, таких как P, S, B, щелочные металлы и галогены, которые снижают механические свойства на границах зерен, высоко, чувствительность к образованию усадочных трещин или высокотемпературному растрескиванию повышается и повышается чувствительность к коррозионному растрескиванию под напряжением на межзеренных границах или водородному охрупчиванию при вызванном средой растрескивании. Следовательно, общее содержание C, N, О, P и S составляет 0,01 мас.% или менее. Соответственно, могут быть обеспечены механические свойства и коррозионная стойкость на межзеренных границах.

[0033] Интерметаллическое соединение для достижения упрочнения дисперсоидами, важного для поддержания сопротивления высокотемпературной ползучести, должно обладать достаточной термодинамической стабильностью в широком температурном диапазоне вплоть до 900°C. В качестве интерметаллического соединения, способного поддерживать сопротивление высокотемпературной ползучести и почти не растворяющегося в условиях жесткого облучения, γ'-фаза PE16 и т.п. непригодна. Следовательно, из известных сведений о том, что стабильным выделением в аустенитной нержавеющей стали после жесткого облучения является силицид, называемый G-фазой, сам по себе Si обладает эффектом предотвращения распухания пустот, а из силицидов соединения на основе W-Si обладают самой низкой растворимостью в высокотемпературном диапазоне, можно сделать вывод, что в качестве такого интерметаллического соединения может быть использован силицид, такой как силицид вольфрама, обладающий высокой термодинамической стабильностью. Силицид диспергируется и выделяется в нем, а размер зерен матричного аустенита регулируют до заданного размера зерен, вследствие чего может быть обеспечено сопротивление высокотемпературной ползучести.

[0034] При использовании горячего прессования в процессе производства трубчатых оболочек тепловыделяющих элементов существующего промышленного уровня здесь возможно массовое производство трубчатых оболочек тепловыделяющих элементов, и поэтому, требования по стоимостным характеристикам энергетических реакторов промышленного уровня могут быть удовлетворены.

[0035] Следовательно, можно обеспечить дисперсионно-упрочненный жаропрочный сплав на основе Ni, обладающий превосходной стойкостью к облучению, жаропрочностью, коррозионной стойкостью и стоимостным характеристикам.

[0036] В способе получения дисперсионно-упрочненного жаропрочного сплава на основе Ni согласно настоящему изобретению силицид может представлять собой силицид вольфрама. Согласно вышеупомянутой особенности, среди силицидов, соединения на основе W-Si обладают самой низкой растворимостью в высокотемпературном диапазоне, и поэтому сопротивление высокотемпературной ползучести может быть подходящим образом обеспечено путем диспергирования и выделения силицида вольфрама, обладающего высокой термодинамической стабильностью.

[0037] В способе получения дисперсионно-упрочненного жаропрочного сплава на основе Ni согласно настоящему изобретению силицид может быть диспергирован и выделен в диапазоне от 20 до 40 об.%. Кроме того, желательно, чтобы размер зерен матричного аустенита регулировался таким образом, чтобы он попадал в диапазон от №2 до №6 в соответствии с гранулометрической шкалой ASTM. Согласно вышеупомянутой особенности может быть обеспечен дисперсионно-упрочненный жаропрочный сплав на основе Ni, обладающий превосходными свойствами сопротивления высокотемпературной ползучести.

[0038] В способе получения дисперсионно-упрочненного жаропрочного сплава на основе Ni согласно настоящему изобретению этап термомеханической обработки может включать этап подвергания термообработке на твердый раствор в диапазоне температур от 1200 до 1300°C, этап холодной обработки давлением в пределах диапазона степени обработки 60% после термообработки на твердый раствор, этап подвергания обработке старением с выделением дисперсоидов в пределах диапазона температур от 500 до 650°C после холодной обработки давлением, и этап подвергания термообработке для средне- или высокотемпературной рекристаллизации в пределах диапазона температур от 750 до 950°C после обработки старением с выделением дисперсоидов. Согласно вышеупомянутой особенности в низко- или среднетемпературном диапазоне от 250 до 450°C, в котором требуется износостойкость, диспергирование и выделение силицида и регулирование размера зерен матричного аустенита предполагают достигать через термомеханическую обработку сочетанием холодной обработки давлением, обработки старением с выделением дисперсоидов и средне- или высокотемпературной рекристаллизации. С помощью этого можно обеспечить применимость сплава в реальных средах при 250-450°C, которые требуют износостойкости.

[0039] В способе получения дисперсионно-упрочненного жаропрочного сплава на основе Ni согласно настоящему изобретению этап термомеханической обработки может включать этап холодной обработки давлением в пределах диапазона степени обработки 60%, этап подвергания термообработке на твердый раствор в диапазоне температур от 1200 до 1300°C после холодной обработки давлением, и этап подвергания обработке старением с выделением дисперсоидов в пределах диапазона температур от 750 до 900°C после термообработки на твердый раствор. Согласно вышеупомянутой особенности в средне- или высокотемпературном диапазоне от 450 до 700°C, в котором требуется сопротивление высокотемпературной ползучести, диспергирование и выделение силицида и регулирование размера зерен матричного аустенита предполагают достигнуть через термомеханическую обработку сочетанием холодной обработки давлением, термообработки на твердый раствор и обработки старением с выделением дисперсоидов. С помощью этого может быть обеспечена применимость сплава в реальных средах при 450-700°C, которые требуют сопротивления высокотемпературной ползучести.

ПРЕИМУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0040] С помощью дисперсионно-упрочненного жаропрочного сплава на основе Ni по настоящему изобретению и способа его получения могут быть обеспечены стойкость к облучению и коррозионная стойкость путем регулирования основного компонента сплава, а сопротивление высокотемпературной ползучести также может быть обеспечено путем диспергирования и выделения силицида. При использовании горячего прессования в процессе производства трубчатых оболочек тепловыделяющих элементов существующего промышленного уровня возможно массовое производство трубчатых оболочек тепловыделяющих элементов. Следовательно, может быть обеспечен дисперсионно-упрочненный жаропрочный сплав на основе Ni, обладающий превосходной стойкостью к облучению, жаропрочностью, коррозионной стойкостью и стоимостными характеристиками.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0041] На Фиг.1 показана эффективность сплава с G-фазой силицида вольфрама в качестве интерметаллического соединения.

На Фиг.2 показан способ формирования слитков сверхвысокой чистоты и пример реальной трубной продукции.

На Фиг.3 показаны примеры оценки условий гарантирования износостойкости посредством состава сплава сверхвысокой чистоты (СВЧ или EHP от англ. extra high purity) на основе Ni с G-фазой согласно варианту воплощения настоящего изобретения и термомеханической обработки.

На Фиг.4 показана сущность мер по усовершенствованию СВЧ-сплава на основе Ni с G-фазой согласно варианту воплощения настоящего изобретения.

На Фиг.5 показаны примеры оценки поведения при старении с выделением дисперсоидов и способности к высокотемпературной деформации СВЧ-сплава на основе Ni с G-фазой согласно варианту воплощения настоящего изобретения.

На Фиг.6 показаны примеры оценки сопоставления СВЧ-сплава на основе Ni с G-фазой согласно варианту воплощения настоящего изобретения и существующего сравнительного сплава с точки зрения стойкости к облучению.

На Фиг.7 показаны примеры оценки сопоставления СВЧ-сплава на основе Ni с G-фазой согласно варианту воплощения настоящего изобретения и существующего сравнительного сплава с точки зрения свойств высокотемпературной ползучести.

На Фиг.8 показаны примеры коррозионной стойкости СВЧ-сплава на основе Ni с G-фазой согласно варианту воплощения настоящего изобретения.

На Фиг.9 показаны диаграммы соотношения между TTC (aging time-temperature-corrosion range, т.е. время старения - температура - диапазон коррозии), относящихся к охрупчиванию при старении аустенита (γ-фазы) стали SUS316 и стабильности ее γ-фазы.

На Фиг.10 показано влияние стабильности γ-фазы на стойкость к облучению.

ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0042] Варианты воплощения настоящего изобретения описаны ниже со ссылкой на чертежи.

Состав дисперсионно-упрочненного жаропрочного сплава на основе Ni

[0043] Дисперсионно-упрочненный жаропрочный сплав на основе Ni согласно варианту воплощения настоящего изобретения (СВЧ-сплав на основе Ni с G-фазой) содержит 0,01 мас. % или менее С, 0,5 мас. % или менее Mn, 0,01 мас. % или менее Р, 0,01 мас. % или менее S, от 2,0 до 3,0 мас. % Si, от 23 до 30 мас. % Cr, от 7,0 до 14,0 мас. % W, от 10 до 20 мас. % Fe и от 40 до 60 мас. % Ni, причем общее содержание С, N, О, Р и S составляет 0,01 мас. % (100 массовых миллионных долей) или менее. СВЧ-сплав на основе Ni с G-фазой получают путем плавки исходного материала согласно способу формирования слитков сверхвысокой чистоты, упомянутому ниже, и далее силицид вольфрама диспергируется и выделяется в диапазоне от 20 до 40 об.% путем термомеханической обработки. В Таблице 2 показаны различия между составом СВЧ-сплава на основе Ni с G-фазой согласно настоящему варианту воплощения и составами существующих сравнительных сплавов. За исключением N, примесные элементы проанализированы посредством анализа методом масс-спектрометрии с тлеющим разрядом (glow discharge-mass spectrometry, GD-MS).

[0044]

Таблица 2
Материал	Fe	Cr	Ni	Mo	W	Si	Al,Ti,Zr,Nb	B*	C*	O*	N*	P*	S*	Примечания
СВЧ-сплав на основе Ni с G-фазой	(<20)	25,2 (23-30)	43,5 (40-60)	-	10,4(7-14)	2,6(2-3)	-	-	23 (<30)	<5	<5	<5	<5	Настоящий вариант воплощения
PE16	Ост.	16,3	43,5	3,3	-	0,5	3,0	50	600	-	-	-	-	PFR в Англии
PNC316	Ост.	16	14	2,5	-	0,7	0,2(Ti, Nb)	40	500	-	-	<250	<300	Монжу (Monju)
9Cr-ODS	Ост.	9,0	0,01	-	2,0	0,05	0,22/Ti,027/Y	-	1500	1900	120	<50	<30	Материал-кандидат FaCT
Численное значение: мас.% (миллионных долей для *)Спецификация СВЧ-сплава: [C+O+N+P+S]<100 миллионных долей

[0045] Распухание пустот зависит от стабильности аустенитной фазы. Следовательно, в качестве меры повышения энергии дефектов упаковки, которая определяет легкость образования пустот за счет снижения концентрации электронов-дырок, неизбежно повышение содержания Ni. Принимая во внимание, что, вследствие генерирования радиационно-индуцированной сегрегации, именуемой как RIS, при условиях жесткого облучения концентрация Cr на границе зерен снижается на примерно 10% по сравнению с концентрацией в матрице, необходимо серьезно повысить содержание Cr.

[0046] Причина, по которой определен приемлемый диапазон основных компонентов Ni, Cr, Fe, Si и W и примесей в СВЧ-сплаве на основе Ni с G-фазой согласно настоящему варианту воплощения, к