專利名稱:制造伸長產(chǎn)品用的鋯合金半成品的生產(chǎn)方法及其用途的制作方法
本發(fā)明涉及制造伸長產(chǎn)品用的鋯合金半成品的生產(chǎn)方法，該伸長產(chǎn)品用于制造燃料組裝元件。
在用輕水冷卻的核反應(yīng)堆(例如，加壓水反應(yīng)堆(PWR)和沸水反應(yīng)堆(BWR))中的燃料組裝件或者CANDU反應(yīng)堆的燃料組裝件包括含鋯合金的元件，該鋯合金具有在核反應(yīng)堆中心部分的低中子吸收性能。
在PWR型核反應(yīng)堆用組裝件的情況下，燃料棒的被覆管以及制造燃料組裝件的分隔柵用的板可由鋯合金制成，所述鋯合金尤其是包含錫、鐵、鉻和如果需要的話的鎳的鋯合金，例如合金Zircaloy2或者Zircaloy4。其同樣也適用于封閉被覆管兩端的栓塞。
其它合金，如主要包含鋯和鈮的商品名為M5的合金也用于生產(chǎn)扁平產(chǎn)品或?qū)嵭幕蚬軤钌扉L產(chǎn)品形式的燃料組裝元件。
通常，用于生產(chǎn)燃料組裝元件的鋯合金包含至少97重量％的鋯，而至多3重量％的其余組成除了由于合金生產(chǎn)引出的雜質(zhì)外，可包含各種不同元素，尤其是鐵、錫或鈮。
符合與其組成相關(guān)的這些條件的鋯合金根據(jù)溫度以及其所經(jīng)過的熱處理的不同而呈現(xiàn)出鋯的兩種同素異晶形式中的一種或另一種形式，即α相，其是具有致密六方結(jié)構(gòu)的低溫穩(wěn)定的鋯相；或者β相，其是具有立方結(jié)構(gòu)的高溫穩(wěn)定相。
在某些溫度范圍內(nèi)或在某些處理結(jié)束時，鋯合金，諸如用于制造如上定義的燃料組件元件的工業(yè)合金，可具有混合的α+β結(jié)構(gòu)。
鋯合金管狀產(chǎn)品的制造通常是通過擠出坯料(billette)來實現(xiàn)的，該坯料本身是通過對錠料進(jìn)行成形操作以及任選的機(jī)械加工操作而獲得的。
實心伸長產(chǎn)品(棒)通常是通過對由錠料獲得的半成品進(jìn)行熱軋并在之后進(jìn)行冷鍛而獲得的。
通常通過澆鑄得到直徑例如是400-700mm，一般是600-660mm的大錠料。該錠料隨后在一個溫度范圍內(nèi)進(jìn)行鍛造操作，在該溫度范圍內(nèi)，其可以是α，β或α+β相(EP-0.085.552和US-5,674,330)。在Zircaloy4的情況下，該錠料在1000℃-1100℃下，通常在約1050℃下進(jìn)行β相鍛造，以獲得中間產(chǎn)品，如棒或者具有正方形或八邊形截面的產(chǎn)品，其橫截面直徑(或者該橫截面外接的圓的直徑)是250mm-400mm。例如，在八邊形截面的情況下，其對角長度約為350mm，該長度對應(yīng)于外接圓的直徑。
隨后在700℃-800℃下，例如通常在750℃下對該中間產(chǎn)品進(jìn)行α相鍛造，直至獲得直徑為100mm-250mm(通常直徑為205mm)的棒。
隨后從β相(通常是從1000℃-1150C)開始，對下面的物質(zhì)進(jìn)行淬火在前面鍛造步驟獲得的棒，或者由被切斷棒的段所構(gòu)成的塊，或者由在其軸向鉆孔的塊所構(gòu)成的坯料。
最后，為了獲得管狀產(chǎn)品，則對坯料進(jìn)行擠出操作，該坯料是在前面步驟中獲得的淬火坯料，或者是由所述生產(chǎn)方法的前面步驟中獲得的淬火棒進(jìn)行機(jī)械加工而得到的坯料。
為了獲得實心伸長產(chǎn)品，則對淬火的棒進(jìn)行熱軋?zhí)幚怼?br>在任何情況下，在可獲得最終管狀產(chǎn)品的擠出操作之前，或者在可獲得小直徑棒的熱軋操作之前，通過一種生產(chǎn)方法來生產(chǎn)棒、塊或坯料形式的半成品，所述生產(chǎn)方法包括對原料錠實施的第一β相鍛造步驟，以及對在第一β相鍛造步驟結(jié)束時獲得的中間產(chǎn)品實施的第二α相鍛造步驟。
剛剛描述的已知轉(zhuǎn)變方法包括在1000-1100℃高溫下的第一β相鍛造步驟。在所述第一鍛造步驟之后，所獲得的中間產(chǎn)品被冷卻到至少α相鍛造溫度，并且通常是到環(huán)境溫度，因為在第一β相鍛造步驟之后并不立即進(jìn)行第二α相鍛造步驟。
在非常高的溫度下鍛造錠料是一種困難和昂貴的操作。
另外，在第一鍛造步驟之前加熱錠以使其達(dá)到1000-1100℃的過程中，中間錠可吸收所接觸的潮濕空氣或水的氫，所述氫以氫化物的形式固定在材料中。
通常，在材料中以大析出物形式存在的氫化物對于產(chǎn)品的可冷塑性和耐腐蝕性來說是不利的。
本發(fā)明的目的是提出一種包含至少97重量％鋯的鋯合金半成品的生產(chǎn)方法，該半成品用于制造至少一種伸長產(chǎn)品，在該方法中，通過澆鑄鋯合金來生產(chǎn)大尺寸錠，然后分兩步鍛造所述大尺寸錠來生產(chǎn)用于經(jīng)過成形操作獲得伸長產(chǎn)品的半成品，所述方法可以使所述伸長產(chǎn)品的制造簡化并降低成本，并且將半成品中(進(jìn)而最終伸長產(chǎn)品中)所存在的氫化物限制在一個低水平。
為此，鍛造大尺寸錠的第一步驟是在一個溫度下進(jìn)行的，在該溫度下，鋯合金處于包括鋯合金的α和β結(jié)晶相的狀態(tài)。
根據(jù)特定的形式-在第一鍛造步驟的溫度下，所述錠包括10-90％體積比例的α相鋯合金，所述錠的其余鋯合金是β相，-第一鍛造步驟在850℃-950℃的溫度下進(jìn)行，-第一鍛造步驟在約900℃的溫度下進(jìn)行，-第一鍛造步驟在600℃-950C的溫度下進(jìn)行，-第二鍛造步驟在一個溫度下進(jìn)行，在該溫度下，由所述錠的第一鍛造步驟獲得的中間產(chǎn)品的鋯合金處于α相，-第二鍛造步驟在一個溫度下進(jìn)行，在該溫度下，在所述錠的第一鍛造步驟結(jié)束時獲得的中間產(chǎn)品的鋯合金處于包括鋯合金的α和β結(jié)晶相的狀態(tài)，-該鋯合金包括總計至多3重量％的添加元素，所述添加元素包括元素錫、鐵、鉻、鎳、氧、鈮、釩和硅中的至少一種元素，該合金其余部分除了不可避免的雜質(zhì)外由鋯組成。
本發(fā)明還涉及-所述方法用于生產(chǎn)諸如棒或坯料之類的半成品的用途，所述半成品用于生產(chǎn)管狀產(chǎn)品，該管狀產(chǎn)品用于制造水冷核反應(yīng)堆的諸如被覆管或燃料組裝件用導(dǎo)管的燃料組裝元件，或者CANDU反應(yīng)堆用的燃料組裝元件；-或者所述方法用于生產(chǎn)一種棒的用途，所述棒用于生產(chǎn)小直徑栓塞棒，以用于制造封閉核反應(yīng)堆的燃料組裝棒的被覆管端部的密封塞。
為了理解本發(fā)明，通過與現(xiàn)有技術(shù)的方法對比，將描述本發(fā)明的用于生產(chǎn)管狀產(chǎn)品的半成品的生產(chǎn)方法。

圖1所示為簡化示出的半成品生產(chǎn)方法的各步驟的示意圖。
圖1示出了鑄錠1，其可以是大尺寸鑄錠，其直徑可以是400-700mm且長度是2m-3m，其是通過將用于生產(chǎn)制造燃料組裝元件用的管狀產(chǎn)品的鋯合金進(jìn)行澆鑄而獲得的。
該鋯合金例如可以是Zircaloy2合金，所述Zircaloy2合金包括，以重量計，1.2-1.7％錫、0.07-0.20％鐵、0.05-0.15％鉻、0.03-0.08％鎳、至多120ppm硅和150ppm碳，該合金其余部分除了常規(guī)的雜質(zhì)外由鋯組成。
用于制造伸長產(chǎn)品的合金也可以是Zircaloy4合金，所述Zircaloy4合金包括，以重量計，1.2-1.7％錫、0.18-0.24％鐵、0.07-0.13％鉻、至多150ppm碳，該合金其余部分由鋯和常規(guī)雜質(zhì)組成。
制造伸長產(chǎn)品用的鋯合金還可以是主要包含鋯和鈮的M5型合金。
根據(jù)本發(fā)明，使所述錠的溫度達(dá)到鋯合金處于α+β相的溫度，以對處于α+β相的錠實施第一鍛造步驟。
該α+β相鍛造(該方法的第一步驟)的溫度的選擇要使得在所述錠合金中α相的體積比例是10-90％，該合金的其余部分是β相。
通常，第一鍛造步驟在850-950℃下進(jìn)行，例如，在Zircaloy4的情況下通常是900℃。在該溫度下，諸如Zircaloy的鋯合金是α+β相。在諸如合金M5的鋯鈮合金的情況下，α+β相將溫度范圍擴(kuò)大至明顯大于Zircaloy型合金的情況，所述溫度范圍是600-950℃。
所述錠的鍛造與現(xiàn)有技術(shù)的方法相同，在該方法中，鍛造是在高溫下進(jìn)行的(例如1050℃)，直到獲得棒或者在直徑250-400mm圓(通常是直徑350mm圓)中內(nèi)接的正方形或八邊形載面的產(chǎn)品。
用α+β相鍛造代替更高溫度下的β相鍛造所獲得的中間產(chǎn)品所具有的特性類似于通過第一β相鍛造步驟獲得的常規(guī)中間產(chǎn)品的特性。
降低鍛造溫度(如降低150℃)在實施該生產(chǎn)方法時體現(xiàn)出顯著的經(jīng)濟(jì)性。
另外，由于只是略微調(diào)整鍛造方法，因此可使用常規(guī)設(shè)備來進(jìn)行所述鍛造。
在諸如M5這樣的鋯鈮合金的情況下，可在明顯低于900℃的溫度下進(jìn)行鍛造，該合金的α+β相擴(kuò)大為600-950℃。
在本發(fā)明的第一變化形式中，用于由中間產(chǎn)品獲得半成品的該鍛造方法的第二步驟以與現(xiàn)有技術(shù)相同的方式來實施，即在700-800℃下執(zhí)行第二α相鍛造步驟，以得到直徑為100-250mm的棒。
在該方法的第二變化形式中，可在與第一鍛造步驟相同的溫度下進(jìn)行第二鍛造步驟，即對產(chǎn)品進(jìn)行α+β相鍛造，以獲得半成品。
所述附圖示出了可在錠1是α+β相的溫度下對錠1進(jìn)行第一鍛造步驟2的鍛造配置。在該第一鍛造步驟2之后獲得中間產(chǎn)品3’，該中間產(chǎn)品包括棒或正方形或八邊形截面的產(chǎn)品，對該產(chǎn)品進(jìn)行第二鍛造步驟4，以獲得坯料或棒形式的半成品3，通過擠出或熱軋操作可由該半成品3獲得最終的伸長產(chǎn)品。
在第一α+β相鍛造步驟2和在第二鍛造步驟4中使用的設(shè)備可以是實施現(xiàn)有技術(shù)方法的常規(guī)設(shè)備，其中對處于β相的錠1進(jìn)行第一步驟2，對處于α相的中間產(chǎn)品3’進(jìn)行第二步驟4。
在本發(fā)明的情況下，第二鍛造步驟4可以在與第一鍛造步驟2相同的溫度下進(jìn)行，中間產(chǎn)品3’是α+β相。
第二步驟4也可以與現(xiàn)有技術(shù)方法的情況相同在α相下進(jìn)行。
在第一α+β相鍛造步驟獲得的中間產(chǎn)品3’可進(jìn)行任何類型的冷卻步驟。
可立即使中間產(chǎn)品3’的溫度達(dá)到第二鍛造步驟的溫度，即產(chǎn)品處于α相或處于α+β相的溫度。
在兩個鍛造步驟均在α+β相進(jìn)行的情況下，可在兩個鍛造步驟之間保持產(chǎn)品溫度。
分兩步鍛造錠1可允許生產(chǎn)構(gòu)成了半成品的直徑為100-250mm的棒或坯料，隨后對該半成品執(zhí)行擠出或熱軋操作，以獲得可用于制造核反應(yīng)堆燃料組裝用元件的管狀部件或小直徑棒。
通過分析半成品3或由該半成品獲得的伸長產(chǎn)品，可以看到，通過本發(fā)明方法獲得的合金中所含的氫化物的量明顯少于現(xiàn)有技術(shù)產(chǎn)品中所含的氫化物的量。
另外，所述半成品或由該半成品獲得的伸長產(chǎn)品所具有的機(jī)械和結(jié)構(gòu)特性基本上類似于通過現(xiàn)有技術(shù)方法獲得的產(chǎn)品的相關(guān)特性。
尤其是，通過本發(fā)明方法獲得的半成品所得到的管狀產(chǎn)品的耐腐蝕性和可塑性明顯優(yōu)于通過現(xiàn)有技術(shù)方法所得到的產(chǎn)品的相關(guān)性質(zhì)。
本發(fā)明方法的優(yōu)點之一是，通過限制第一鍛造步驟期間的鍛造溫度并且任選地省去第一鍛造步驟之后的冷卻步驟，從而簡化了半成品的生產(chǎn)過程。
在Zircaloy2和Zircaloy4合金或者其它含錫的鋯合金的情況下，為了實施本發(fā)明方法的第一步驟和任選的第二步驟而轉(zhuǎn)變至合金的α+β相會導(dǎo)致形成錫偏析。但是，這種偏析可通過隨后在由半成品生產(chǎn)最終管狀產(chǎn)品的過程中進(jìn)行的處理得到抑制。這同樣適用于元素氧和氮。
在本發(fā)明方法應(yīng)用于如上所述的鈮合金的情況下，在α和α+β相之間的轉(zhuǎn)變接近600℃，在α+β相的鍛造溫度可明顯低于900℃，但同時要考慮到在該鍛造溫度下合金的可鍛性。
可考慮將本發(fā)明方法應(yīng)用于除zircaloy或鈮合金之外的其它鋯合金。這些合金通常包括至多3重量％的添加元素，所述添加元素包括元素錫、鐵、鉻、鎳、氧、鈮、釩和硅中的至少一種，該合金其余部分由鋯和不可避免的雜質(zhì)組成。
本發(fā)明特別適用于生產(chǎn)鋯合金管狀產(chǎn)品，該管狀產(chǎn)品用于制造燃料組裝元件，如包括燃料片的被覆管或者燃料組裝件用的導(dǎo)管。
本發(fā)明還適用于制造用于封閉燃料組裝棒的被覆管端部的密封塞的栓塞棒。
為了由半成品獲得最終產(chǎn)品，在半成品的擠出或熱軋操作之后可能需要執(zhí)行諸如周期式軋制的操作，其中在成形操作之間也可進(jìn)行熱處理。
本發(fā)明并不嚴(yán)格限于所述的實施方式。
在α+β相的鍛造溫度取決于鋯合金的組成。可使用用于在現(xiàn)有技術(shù)方法的α相或β相成形的常規(guī)裝置或者適用于在一個或兩個步驟中進(jìn)行α+β鍛造以獲得半成品的其它裝置來執(zhí)行成形操作。
本發(fā)明通常適用于上面給出的組成極限值所限定的任何工業(yè)鋯合金產(chǎn)品。
權(quán)利要求
1.包含至少97重量％鋯的鋯合金半成品(3)的生產(chǎn)方法，該半成品(3)用于制造至少一種伸長產(chǎn)品，在該方法中，通過澆鑄鋯合金生產(chǎn)大尺寸錠(1)，然后分兩步鍛造所述大尺寸錠(1)來生產(chǎn)用于經(jīng)過成形操作獲得伸長產(chǎn)品的半成品(3)，所述方法的特征在于大尺寸錠(1)的第一鍛造步驟(2)是在鋯合金處于包括鋯合金的α和β結(jié)晶相的狀態(tài)的溫度下進(jìn)行的。
2.權(quán)利要求
1的方法，其特征在于，在第一鍛造步驟的溫度下，所述錠包括10-90％體積比例的α相鋯合金，所述錠的其余鋯合金是β相。
3.權(quán)利要求
1或2的方法，其特征在于，第一鍛造步驟(2)在850℃-950℃的溫度下進(jìn)行。
4.權(quán)利要求
3的方法，其特征在于，第一鍛造步驟在約900℃的溫度下進(jìn)行。
5.權(quán)利要求
1或2的方法，其特征在于，第一鍛造步驟在600-950℃的溫度下進(jìn)行。
6.權(quán)利要求
1-5中任一項的方法，其特征在于，第二鍛造步驟在一個溫度下進(jìn)行，在該溫度下，由所述錠(1)的第一鍛造步驟(2)獲得的中間產(chǎn)品(3’)的鋯合金處于α相。
7.權(quán)利要求
1-5中任一項的方法，其特征在于，第二鍛造步驟在一個溫度下進(jìn)行，在該溫度下，在所述錠(1)的第一鍛造步驟(2)結(jié)束時獲得的中間產(chǎn)品(3’)的鋯合金處于包括鋯合金的α和β結(jié)晶相的狀態(tài)。
8.權(quán)利要求
1-7中任一項的方法，其特征在于，該鋯合金包括總計至多3重量％的添加元素，所述添加元素包括元素錫、鐵、鉻、鎳、氧、鈮、釩和硅中的至少一種元素，該合金其余部分除了不可避免的雜質(zhì)外由鋯組成。
9.權(quán)利要求
1-8中任一項的方法用于生產(chǎn)諸如棒或坯料之類的半成品的用途，所述半成品用于生產(chǎn)管狀產(chǎn)品，該管狀產(chǎn)品用于制造水冷核反應(yīng)堆的諸如被覆管或燃料組裝件用導(dǎo)管的燃料組裝元件，或者CANDU反應(yīng)堆用的燃料組裝元件。
10.權(quán)利要求
1-7中任一項的方法用于生產(chǎn)一種棒的用途，所述棒用于生產(chǎn)小直徑栓塞棒，以用于制造封閉核反應(yīng)堆的燃料組裝棒的被覆管端部的密封塞。
專利摘要
本發(fā)明涉及通過澆鑄鋯合金生產(chǎn)大尺寸錠(1)，然后分兩步鍛造所述錠，以獲得半成品(3)。所述錠(1)的第一鍛造步驟是在鋯合金處于包括α和β結(jié)晶相的狀態(tài)的溫度下進(jìn)行的。該鍛造溫度例如可以是850℃－950℃。
文檔編號G21C3/07GKCN1735706SQ200480002151
公開日2006年2月15日 申請日期2004年1月7日
發(fā)明者P·巴波里斯, N·李茲, X·羅貝 申請人:歐洲塞扎斯“鋯”公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan