专利名称:一种ods高温合金管的制备方法
技术领域：
本发明涉及ODS高温合金管的制备方法。
背景技术：
能源问题日益成为世界发展所面临的共同危机，在能源需求与环境保护双重压力下，为保障国民经济的可持续发展，核能是解决我国能源问题的重要途径之一。超临界水堆(Super Critical Water Reactor, SCWR)作为第四代新型核能系统中唯一的先进水冷堆，具有在经济性、工程技术延续性以及可持续性上的诸多综合优势，是大功率压水堆技术发展 的必然趋势。
超临界水堆运行于超高压力、高温度和强烈中子辐照条件下，这种极端的工作条件给传统的核燃料包壳材料带来了新的挑战，要求同时具备以下几个特性1、在工作温度范围(正常情况为280°C 620°C，非正常情况高达840°C)具有高强度和耐腐蚀性；2、低的腐蚀开裂敏感性；3、较低的中子吸收截面和吸收中子后的感生放射弱性；4、中子辐射稳定性低辐射肿胀、低辐射脆性和低活化；5、易加工成型。而常规压水堆使用的核燃料包壳材料是Zr合金，但Zr合金的机械性能较差并存在严重的辐照肿胀问题，不能完全满足SCWR燃料包壳的要求。
氧化物弥散强化(ODS)合金，尤其是ODS铁素体钢，其优异的高温力学性能和良好的抗辐照能力成为SCWR包壳最有希望的一类候选材料。弥散强化是指用不溶于基体金属的超细第二相(强化相)来强化金属材料方法，其实质是利用弥散的超细微粒阻碍位错运动，不仅能够提高材料的高温力学性能，而且能够增强材料的辐照稳定性。
由于ODS合金具有强度高、硬度大和材料脆性，材料具有较差成型加工性能，因而采用传统方法(锻造、淬火、拉拔和形变热处理)制备核燃料包壳ODS合金管存在工艺复杂、效率低和难于加工成型等问题。
发明内容
本发明是要解决现有的制备核燃料包壳ODS合金管方法中工艺复杂、效率低和难于获得各种管径尺寸和壁厚的问题而提出一种ODS高温合金管的制备方法。
本发明中的一种ODS高温合金管的制备方法按以下步骤进行
一、清洗基管外表面基管材质为陶瓷、金属或可溶性盐类，对于陶瓷和金属材质的基管，在超声功率为150W 200W的条件下，先用丙酮清洗IOmin 20min，然后再用无水乙醇清洗8mirTl2min，晾干后，安装在电子束物理气相沉积设备的固定基架上；对于可溶性盐类的基管，用电吹风将外表面附着的灰尘吹掉后，安装在电子束物理气相沉积设备内的固定基架上，其中电子束物理气相沉积设备制备的ODS高温合金管的外径尺寸为15mm 150mm,壁厚为0. Imm 8mm,长度小于500_ ；
二、电子束物理气相沉积前的准备工作将合金锭料和氧化物粉末分别放入不同的坩埚中，然后对电子束物理气相沉积系统开始抽真空，在抽真空的同时，启动固定基架上的加热装置对基管进行加热，并启动固定基架上的转动装置使基管以lrpnTl5rpm的速度转动，达到700°C、00°C时，停止升温，保持基管恒定于此温度，其中合金锭料的成分为铁基高温合金、镍基高温合金或钴基高温合金任一种，氧化物粉末为Y2O3粉末、Al2O3粉末或ZrO2粉末任一种，氧化物粉末颗粒尺寸为m，靶基距(坩埚到基管的距离)为100mm^600mm ；
三、沉积ODS高温合金管继续对电子束物理气相沉积系统抽真空直到绝对真空度高于5X10_2Pa时，调整转动装置使基管以lrpnTl5rpm的速度转动，然后用不同束流密度的电子束同时加热合金锭料和氧化物粉末，使它们达到熔点并开始熔化，当合金锭料和氧化物粉末中熔池达到稳定状态后，打开挡板，开始蒸发，当ODS高温合金管的壁厚为0. ImnTSmm时，立即关闭电子束，拉上挡板，然后关闭固定基架上的加热装置，停止固定基架上的转动装置，关闭电子束物理气相沉积设备，完成ODS高温合金管的的制备，其中沉积过程中加热合金锭料的电子束与加热氧化物粉末的电子束的束流密度之比为(I. 3^5) :1。
本发明的机理是由于ODS合金具有强度高、硬度大和材料脆性，材料具有较差成型加工性能。因而采用传统方法(锻造、淬火、拉拔和形变热处理)制备核燃料包壳ODS铁素体钢管存在工艺复杂、效率低和难于加工成型等问题。而大功率电子束物理气相沉积技术由于具有功率高，蒸发速率快，制备的ODS合金中氧化物颗粒尺寸小且分布均匀和一次净成型等优点，可通过成分设计和多源蒸发直接沉积ODS合金。
本发明包括以下有益效果
I、采用两个及两个以上坩埚，通过成分和制备工艺设计，用电子束加热合金锭料和氧化物粉末，气体从熔池中蒸发出来，沉积到旋转的基管上，通过连续沉积，来获得不同管径尺寸和壁厚的ODS高温合金管材；
2、采用电子束物理气相沉积方法，工艺简单、蒸发速率快而且制备的ODS高温合金管材中、氧化物颗粒尺寸小且分布均匀；
3、利用电子束的束流密度的变化控制不同材料的蒸发速率，从而控制氧化物在合金中的含量，得到具有优异的高温力学性能和良好的抗辐照能力ODS高温合金；
4、本发明中基管是衬底材料，通过匀速转动基管，可以得到管壁厚度均一的ODS
mil n 巨 o
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式
，还包括各具体实施方式
间的任意组合。 具体实施方式
一本实施方式中的一种ODS高温合金管的制备方法按以下步骤进行
一、清洗基管外表面基管材质为陶瓷、金属或可溶性盐类，对于陶瓷和金属材质的基管，在超声功率为150W 200W的条件下，先用丙酮清洗IOmin 20min，然后再用无水乙醇清洗8mirTl2min，晾干后，安装在电子束物理气相沉积设备的固定基架上；对于可溶性盐类的基管，用电吹风将外表面附着的灰尘吹掉后，安装在电子束物理气相沉积设备内的固定基架上，其中电子束物理气相沉积设备制备的ODS高温合金管的外径尺寸为15mm 150mm,壁厚为0. Imm 8mm,长度小于500_ ；[0020]二、电子束物理气相沉积前的准备工作将合金锭料和氧化物粉末分别放入不同的坩埚中，然后对电子束物理气相沉积系统开始抽真空，在抽真空的同时，启动固定基架上的加热装置对基管进行加热，并启动固定基架上的转动装置使基管以lrpnTl5rpm的速度转动，达到700°C、00°C时，停止升温，保持基管恒定于此温度，其中合金锭料的成分为铁基高温合金、镍基高温合金或钴基高温合金任一种，氧化物粉末为Y2O3粉末、Al2O3粉末或ZrO2粉末任一种，氧化物粉末颗粒尺寸为m，靶基距(坩埚到基管的距离)为IOOmm 600mm ；
三、沉积ODS高温合金管继续对电子束物理气相沉积系统抽真空直到绝对真空度高于5X10_2Pa时，调整转动装置使基管以lrpnTl5rpm的速度转动，然后用不同束流密度的电子束同时加热合金锭料和氧化物粉末，使它们达到熔点并开始熔化，当合金锭料和氧化物粉末中熔池达到稳定状态后，打开挡板，开始蒸发，当ODS高温合金管的壁厚为0. ImnTSmm时，立即关闭电子束，拉上挡板，然后关闭固定基架上的加热装置，停止固定基架上的转动装置，关闭电子束物理气相沉积设备，完成ODS高温合金管的的制备，其中沉积过程中加热合金锭料的电子束与加热氧化物粉末的电子束的束流密度之比为(I. 3^5) :1。
本发明的机理是由于ODS合金具有强度高、硬度大和材料脆性，材料具有较差成型加工性能。因而采用传统方法(锻造、淬火、拉拔和形变热处理)制备核燃料包壳ODS铁素体钢管存在工艺复杂、效率低和难于加工成型等问题。而大功率电子束物理气相沉积技术由于具有功率高、蒸发速率快、氧化物颗粒尺寸小且分布均匀和一次净成型等优点，可通过成分设计和多源蒸发直接沉积ODS合金。
本发明包括以下有益效果
I、采用两个及两个以上坩埚，通过成分和制备工艺设计，用电子束加热合金锭料和氧化物粉末，气体从熔池中蒸发出来，沉积到旋转的基管上，通过连续沉积，来获得不同管径尺寸和壁厚的ODS高温合金管材；
2、采用电子束物理气相沉积方法，工艺简单、蒸发速率快而且制备的ODS高温合金管材中、氧化物颗粒尺寸小且分布均匀；
3、利用电子束的束流密度的变化控制不同材料的蒸发速率，从而控制氧化物在合金中的含量，得到具有优异的高温力学性能和良好的抗辐照能力ODS高温合金；
4、本发明中基管是衬底材料，通过匀速转动基管，可以得到管壁厚度均一的ODS
mil n 巨 o 具体实施方式
二 本实施方式与具体实施方式
一不同的是步骤一中在超声功率为160W 190W的条件下,先用丙酮清洗12min 18min,然后再用无水乙醇清洗9min llmin。其它步骤及参数与具体实施方式
一相同。 具体实施方式
三本实施方式与具体实施方式
一不同的是步骤一中在超声功率为175W的条件下,先用丙酮清洗15min,然后再用无水乙醇清洗lOmin。其它步骤及参数与具体实施方式
一相同。 具体实施方式
四本实施方式与具体实施方式
一至三之一不同的是步骤二中启动固定基架上的转动装置使基管以2rpnTl4rpm的速度转动，达到750°C 850°C时，停止升温。其它步骤及参数与具体实施方式
一至三之一相同。 具体实施方式
五本实施方式与具体实施方式
一至三之一不同的是步骤二中启动、固定基架上的转动装置使基管以5rpm的速度转动，达到800°C，停止升温。其它步骤及参数与具体实施方式
一至三之一相同。 具体实施方式
六本实施方式与具体实施方式
一至五之一不同的是步骤二中氧化物粉末颗粒尺寸为2 u nTlO u m,靶基距(i甘埚到基管的距离)为150mnT500mm。其它步骤及参数与具体实施方式
一至五之一相同。 具体实施方式
七本实施方式与具体实施方式
一至五之一不同的是步骤二中氧化物粉末颗粒尺寸为5 ym，靶基距(坩埚到基管的距离)为220mm。其它步骤及参数与具体实施方式
一至五之一相同。 具体实施方式
八本实施方式与具体实施方式
一至七之一不同的是步骤三中继续对电子束物理气相沉积系统抽真空直到绝对真空度高于2 X 10_2Pa时停止抽真空，调整转动装置使基管以5rpm的速度转动。其它步骤及参数与具体实施方式
一至七之一相同。 具体实施方式
九本实施方式与具体实施方式
一至八之一不同的是步骤三中当ODS高温合金管的壁厚为0. 2mnT7mm时，拉上挡板后，立即关闭电子束，其中加热合金锭料的电子束与加热氧化物粉末的电子束的束流密度之比为(I. 5 4) :1。其它步骤及参数与具体实施方式
一至七之一相同。 具体实施方式
十本实施方式与具体实施方式
一至八之一不同的是步骤三中当ODS高温合金管的壁厚为5mm时，拉上挡板后，立即关闭电子束，其中加热合金锭料的电子束与加热氧化物粉末的电子束的束流密度之比为3:1。其它步骤及参数与具体实施方式
一至七之一相同。
为了验证本发明的有益效果，进行了以下实验
实验一一种ODS高温合金管的制备方法按以下步骤进行
一、清洗基管外表面基管材质为陶瓷，在超声功率为175W的条件下，先用丙酮清洗15min，然后再用无水乙醇清洗lOmin，晾干后，安装在电子束物理气相沉积设备的固定基架上；其中基管的外径尺寸为92mm。
二、电子束物理气相沉积前的准备工作将铁基高温合金锭料和Y2O3粉末分别放入不同的坩埚中，然后对电子束物理气相沉积系统开始抽真空，在抽真空的同时，启动固定基架上的加热装置对基管进行加热，并启动固定基架上的转动装置使基管以3rpm的速度转动，达到850°C，停止升温，保持基管恒定于此温度，其中Y2O3粉末颗粒尺寸为I y nT5 ii m,靶基距(i甘埚到基管的距离)为300mm，铁基高温合金的质量百分比成分为Cr :9°/Tl5%，Ti 0. 2% 1%，Fe 84%"90% ；
三、沉积ODS高温合金管继续对电子束物理气相沉积系统抽真空直到绝对真空度高于2 X 10_2Pa时，调整转动装置使基管以3rpm的速度转动，加热铁基高温合金锭料的电子束的束流密度为I. 5A，加热Y2O3粉末的电子束的束流密度为0. 5A，使它们达到熔点并开始熔化，当铁基高温合金锭料和Y2O3粉末中熔池达到稳定状态后，打开挡板，开始蒸发，当ODS铁基高温合金管的壁厚为4mm时，立即关闭电子束，拉上挡板，然后关闭固定基架上的加热装置，停止固定基架上的转动装置，关闭电子束物理气相沉积设备，完成ODS铁基高温合金管的制备。
通过本发明方法制备的ODS铁基高温合金管,外径尺寸为100mm,壁厚为4mm,长度为200mm，经检测Y2O3在ODS铁基高温合金管中的质量百分含量为0. 3%，并且是以纳米级颗粒进行分布的，其中lnnTl5nm的Y2O3颗粒占总Y2O3颗粒的质量百分比为90%, 16nnTl00nm的Y2O3颗粒占总Y2O3颗粒的质量百分比为10%，达到设计要求而且分布均一； 整个ODS铁基高温合金管的外径尺寸和壁厚都均匀一致，也达到了设计的要求。
权利要求
1.一种ODS高温合金管的制备方法，其特征在于它是通过以下步骤实现的 一、清洗基管外表面基管材质为陶瓷、金属或可溶性盐类，对于陶瓷和金属材质的基管，在超声功率为150W 200W的条件下，先用丙酮清洗IOmin 20min，然后再用无水乙醇清洗8mirTl2min，晾干后，安装在电子束物理气相沉积设备的固定基架上；对于可溶性盐类的基管，用电吹风将外表面附着的灰尘吹掉后，安装在电子束物理气相沉积设备内的固定基架上，其中电子束物理气相沉积设备制备的ODS高温合金管的外径尺寸为15mm 150mm，壁厚为0.长度小于500_ ； 二、电子束物理气相沉积前的准备工作将合金锭料和氧化物粉末分别放入不同的坩埚中，然后对电子束物理气相沉积系统开始抽真空，在抽真空的同时，启动固定基架上的加热装置对基管进行加热，并启动固定基架上的转动装置使基管以lrpnTl5rpm的速度转动，达到700°C、00°C时，停止升温，保持基管恒定于此温度，其中合金锭料的成分为铁基高温合金、镍基高温合金或钴基高温合金任一种，氧化物粉末为Y2O3粉末、Al2O3粉末或ZrO2粉末任一种，氧化物粉末颗粒尺寸为I U nT20 u m,靶基距(坩埚到基管的距离)为IOOmnTeOOmm ； 三、沉积ODS高温合金管继续对电子束物理气相沉积系统抽真空直到绝对真空度高于5X10_2Pa时，调整转动装置使基管以lrpnTl5rpm的速度转动，然后用不同束流密度的电子束同时加热合金锭料和氧化物粉末，使它们达到熔点并开始熔化，当合金锭料和氧化物粉末中熔池达到稳定状态后，打开挡板，开始蒸发，当ODS高温合金管的壁厚为0. lmnT8mm时，立即关闭电子束，拉上挡板，然后关闭固定基架上的加热装置，停止固定基架上的转动装置，关闭电子束物理气相沉积设备，完成ODS高温合金管的的制备，其中沉积过程中加热合金锭料的电子束与加热氧化物粉末的电子束的束流密度之比为(I. 3^5) :1。
2.如权利要求
I所述的一种ODS高温合金管的制备方法，其特征在于步骤一中在超声功率为160W 190W的条件下，先用丙酮清洗12min 18min，然后再用无水乙醇清洗9min Ilmin0
3.如权利要求
I所述的一种ODS高温合金管的制备方法，其特征在于步骤一中在超声功率为175W的条件下，先用丙酮清洗15min，然后再用无水乙醇清洗lOmin。
4.如权利要求
1、2或3所述的一种ODS高温合金管的制备方法，其特征在于步骤二中启动固定基架上的转动装置使基管以2rpnTl4rpm的速度转动，达到750°C 850°C时，停止升温。
5.如权利要求
1、2或3所述的一种ODS高温合金管的制备方法，其特征在于步骤二中启动固定基架上的转动装置使基管以5rpm的速度转动，达到800°C，停止升温。
6.如权利要求
4所述的一种ODS高温合金管的制备方法，其特征在于步骤二中氧化物粉末颗粒尺寸为2 u nTlO u m,靶基距(i甘埚到基管的距离)为150mnT500mm。
7.如权利要求
4所述的一种ODS高温合金管的制备方法，其特征在于步骤二中氧化物氧化物粉末颗粒尺寸为5 ym，靶基距(坩埚到基管的距离)为220mm。
8.如权利要求
6所述的一种ODS高温合金管的制备方法，其特征在于步骤三中继续对电子束物理气相沉积系统抽真空直到绝对真空度高于2X 10_2Pa时，调整转动装置使基管以5rpm的速度转动。
9.如权利要求
8所述的一种ODS高温合金管的制备方法，其特征在于步骤三中当ODS高温合金管的壁厚为0. 2mnT7mm时，拉上挡板后，立即关闭电子束，其中加热合金锭料的电子束与加热氧化物粉末的电子束的束流密度之比为(I. 5^4) :1。
10.如权利要求
8所述的一种ODS高温合金管的制备方法，其特征在于步骤三中当ODS高温合金管的壁厚为5mm时，拉上挡板后，立即关闭电子束，其中加热合金锭料的电子束与加热氧化物粉末的电子束的束流密度之比为3:1。
专利摘要
一种ODS高温合金管的制备方法，它涉及ODS高温合金管的制备方法，本发明是要解决现有的制备核燃料包壳ODS合金管方法中工艺复杂、效率低和难于获得各种管径尺寸和壁厚的问题。本发明中一种ODS高温合金管的制备方法通过如下步骤来实现一、清洗基管外表面；二、电子束物理气相沉积前的准备工作；三、沉积ODS高温合金管。采用本发明方法可以制备各种管径尺寸和壁厚的ODS高温合金管。本发明可应用于核能系统中超临界水堆的核燃料包壳材料的制备及其它高温环境下使用部件的制备。
文档编号G21C3/07GKCN102758181SQ201210284544
公开日2012年10月31日 申请日期2012年8月6日
发明者何飞, 孙跃, 宋广平, 李明伟, 林秀, 赫晓东, 赵轶杰 申请人:哈尔滨工业大学导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan