一种核屏蔽用镍基合金及其制造方法与流程

本发明属于核电领域，具体涉及一种核屏蔽用镍基合金及其制造方法。

背景技术：

1、随着商业核电技术的快速发展，核电正日益成为现代能源体系中重要的组成部分。随着核电站建设的不断开展，针对核电站反应堆运行及放射性废料处置安全性的关注也日益增长，安全、可靠的核屏蔽材料成为民用核工业的迫切需求。核屏蔽材料要求对中子辐射有良好的耐受与屏蔽能力，同时还需要具备较高的室温/高温力学性能。由于硼钢具有较好的中子吸收能力，同时耐腐蚀、强度高，现有技术常采用硼钢用于乏燃料屏蔽等应用场景。然而，硼在不锈钢中溶解度较低，过量的硼会以硼化物形式析出，损害硼钢的综合性能，制约了其应用与发展。钆元素具有较大的等效种子吸收截面，同时具有良好的热稳定性和中子辐射耐受性，富钆奥氏体不锈钢不易发生腐蚀与肿胀，显示了良好的应用前景。然而，由于钆在不锈钢中不会固溶于基体，而是会形成熔点仅1060℃左右的金属间化合物(ni,cr,fe)3gd，会导致材料的力学性能、热加工性能和焊接性能发生显著恶化。因此，提供一种具有良好力学性能的核屏蔽合金，对于提高核电站运行的安全性，具有很高的实用价值。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，提供一种具有高力学性能的核屏蔽用镍基合金。本发明还提供一种核屏蔽用镍基合金的制造方法。

2、根据本发明一个方面的实施例，提供一种核屏蔽用镍基合金，按重量比计，包括以下成分：c≤0.03%，cr：14%-17%，gd：0.5%-5%，fe：5%-10%，al：0.5%-5%，余量为ni和不可避免的杂质。所述核屏蔽用镍基合金的组织包括面心立方结构的ni晶粒、(ni,cr,fe)5gd和ni3al，其中所述面心立方结构的ni晶粒为合金基体， (ni,cr,fe)5gd分布于所述面心立方结构的ni晶粒的晶界，ni3al散布于基体内。

3、cr元素能够使合金成品具有良好的耐腐蚀性能与强度；gd元素的添加量应控制在既能够提供充足的中子屏蔽性能，又不会沿晶界析出连续的富gd相导致力学性能损失；al则能够与ni元素形成弥散强化相，提高合金整体的力学性能；fe元素参与ni合金基体的固溶，但过量的fe元素会在gd与ni形成析出相时转变为铁素体结构，影响合金性能。

4、进一步地，在部分实施例中，所述不可避免的杂质中，按重量比计，n≤0.05%，s≤0.03%，p≤0.03%，o≤0.03%。gd易与s、p、o等杂质元素结合形成晶界夹杂，对合金性能产生不良影响。

5、进一步地，在部分实施例中，该合金按重量比计，包括以下成分：c：0.002%-0.03%，cr：14%-15%，gd：0.5%-3.5%，fe：5%-10%，al：0.5%-3.5%，余量为ni和不可避免的杂质。

6、进一步地，在部分实施例中，所述面心立方结构的ni晶粒平均晶粒直径为5μm-50μm。

7、进一步地，在部分实施例中，所述核屏蔽用镍基合金在室温下的抗拉强度为700mpa-900mpa，延伸率为20%-40%。

8、根据本发明另一个方面的实施例，提供一种核屏蔽用镍基合金的制造方法，该方法用于制造前述任一实施例中的核屏蔽用镍基合金，包括以下步骤：提供铸态合金，所述铸态合金依照前述任一实施例中所述的核屏蔽用镍基合金成分配比熔炼；将所述铸态合金在1100℃-1200℃下进行热锻，得到锻材；将所述锻材加热至1100℃-1200℃进行热轧，得到热轧件；对所述热轧件进行冷轧，控制冷轧总变形量不小于70 %，得到冷轧件；将所述冷轧件加热至1100℃-1200℃，保温20min-40min并水冷至650℃-750℃，保温4h-6h进行时效处理，得到成品合金。

9、利用该方法，能够将合金中的富gd析出相由连续网状打碎为颗粒状，在退火加热过程中镍基合金晶体发生再结晶，颗粒状的富gd析出物保持颗粒状形貌弥散于晶界，有效提高了合金的整体强度；通过制定合理的热处理制度，控制gd析出相以高熔点的(ni,cr,fe)5gd形式存在，避免了低熔点的(ni,cr,fe)3gd产生，同时在合金基体中生成了弥散的ni3al相，进一步提高了合金的整体性能，使该镍基合金在室温与高温下都能够具备良好的力学性能。

10、进一步地，在部分实施例中，所述铸态合金通过熔炼步骤制备：将合金原料按比例投入真空感应炉中加热至熔化，控制熔体温度1700℃-1900℃熔炼5min-7min，保温至少1min后浇筑得到铸态合金。

11、进一步地，在部分实施例中，所述热锻步骤中，将所述铸态合金在1100℃-1200℃下保温1h-2h。

12、进一步地，在部分实施例中，所述热轧步骤中，所述锻材在1100℃-1200℃下保温至少1h再进行轧制。

技术特征：

1.一种核屏蔽用镍基合金，其特征在于，按重量比计，包括以下成分：

2.根据权利要求1所述的核屏蔽用镍基合金，其特征在于，所述不可避免的杂质中，按重量比计，n≤0.05%，s≤0.03%，p≤0.03%，o≤0.03%。

3.根据权利要求1或2所述的核屏蔽用镍基合金，其特征在于，按重量比计，包括以下成分：c：0.002%-0.03%，cr：14%-15%，gd：0.5%-3.5%，fe：5%-10%，al：0.5%-3.5%，余量为ni和不可避免的杂质。

4.根据权利要求1或2所述的核屏蔽用镍基合金，其特征在于，所述面心立方结构的ni晶粒平均晶粒直径为5μm-50μm。

5.根据权利要求1或2所述的核屏蔽用镍基合金，其特征在于，所述核屏蔽用镍基合金在室温下的抗拉强度为700mpa-900mpa，延伸率为20%-40%。

6.一种核屏蔽用镍基合金的制造方法，其特征在于，所述方法用于制造如权利要求1至5中任一所述的核屏蔽用镍基合金，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的核屏蔽用镍基合金的制造方法，其特征在于，所述铸态合金通过熔炼步骤制备：将合金原料按比例投入真空感应炉中加热至熔化，控制熔体温度1700℃-1900℃熔炼5min-7min，保温至少1min后浇筑得到铸态合金。

8.根据权利要求6或7所述的核屏蔽用镍基合金的制造方法，其特征在于，所述热锻步骤中，将所述铸态合金在1100℃-1200℃下保温1h-2h。

9.根据权利要求6或7所述的核屏蔽用镍基合金的制造方法，其特征在于，所述热轧步骤中，所述锻材在1100℃-1200℃下保温至少1h再进行轧制。

技术总结
一种核屏蔽用镍基合金，按重量比计包括以下成分：C≤0.03%，Cr：14%‑17%，Gd：0.5%‑5%，Fe：5%‑10%，Al：0.5%‑5%，余量为Ni和不可避免的杂质。该合金中Gd元素能够有效发挥中子屏蔽效果，同时Gd、Al元素能分别形成强化相，有效提高合金的室温与高温力学性能。本发明还提供一种核屏蔽用镍基合金的制造方法。

技术研发人员：王勇,梅其良,肖学山,王梦琪,李聪,潘杰,黄小林,石悠,付亚茹,高静,彭超,毛兰方,高圣钦,朱自强,丁谦学,黎辉
受保护的技术使用者：上海核工程研究设计院股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15