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zirconium niohium alloys
简介
以锆为基加入铌元素形成的锆合金，是一种性能优异的核工程材料。根据在反应堆中的不同用途，铌在锆中的含量也有变化，较成熟的锆铌合金有Zr-1Nb合金、Zr-2.5Nb合金和Zr-2.5Nb-0.5Cu合金。Zr-1Nb合金用作燃料元件包壳材料，Zr-2.5Nb合金用作重水堆压力管材料，Zr-2.5Nb-0.5Cu合金用作压力管和容器管之间的隔环材料。
前苏联对锆铌合金进行了广泛的研究，此外日本、英国、挪威、丹麦、瑞典和芬兰等国也对锆铌合金进行了研究。中国于1975年开始研究锆铌合金。
力学性能 经580℃、2h退火的Zr-1Nb管材力学性能列于表1;中国研制的Zr-1Nb合金的力学性能列于表2;Zr-2.5Nb合金的各种力学性能列于表3～5;不同状态Zr-2.5Nb-0.5Cu合金的力学性能列于表6。
表1 退火的Zr-1Nb管材力学性能
| 试验温度/℃ | 轴 向 | 横 向 | ||||
| 抗拉强度/MPa | 屈服强度/MPa | 伸长率/% | 抗拉强度/MPa | 屈服强度/MPa | 伸长率/% | |
| 20 | 350～380 | 240～270 | 42～48 | 350～360 | 290～310 | 35～38 |
| 350 | 200～230 | 90～120 | 47～50 | 160～180 | 130～160 | 25～33 |
表2 中国产Zr-1Nb合金的力学性能
| 合金状态 | 试验温度 | 抗拉强度/MPa | 屈服强度/MPa | 伸长率/% |
|
470℃、4h 退火 |
室温 | 699 | 512 | 13 |
| 375℃ | 436～454 | 278～362 | 11～13 | |
|
560℃、1h 退火 |
室温 | 538～545 | 379～387 | 22～25 |
| 375℃ | 269～272 | 161～215 | 29～30 |
表3 Zr-2.5Nb合金300℃拉伸性能
| 合金状态 | 抗拉强度/MPa | 屈服强度/MPa | 伸长率/% | |||
| 中国 | 加拿大 | 中国 | 加拿大 | 中国 | 加拿大 | |
| 热处理型 | 582 | ≥538 | 506 | ≥448 | 20.8 | ≥12 |
| 冷加工型 | 474 | ≥433 | 336 | ≥318 | 19.7 | ≥12 |
表4 Zr-2.5Nb压力管室温拉伸性能
| 项 目 | 抗拉强度/MPa | 屈服强度/MPa | 伸长率/% | 面缩率/% |
| 中国 | 702 | 526 | 18.7 | 51.6 |
| ASTM标准 | ≥508 | ≥343 | ≥15 | — |
表5 Zr-2.5Nb合金300℃长时间蠕变性能
| 合金工艺条件 | 应力/MPa | 总时间/d | 初应变/% | 蠕变应变/% | 第二阶蠕变速率/h-1 |
| 高(α+β)水淬+15%冷作+时效 | 412 | 90 | 0.57 | 0.65 | 14×10-7 |
| 20%冷作+400℃24h时效 | 412 | 10 | 1.52 | 3.16 | 1000×10-7 |
| 20%冷作+400℃24h时效 | 274 | 145 | 0.35 | 0.28 | ≤2.4×10-7 |
| 20%冷作+400℃24h时效 | 235 | 260 | 0.30 | 0.17 | ≤2.0×10-7 |
| 20%冷作+400℃24h时效 | 206 | 400 | 0.21 | 0.33 | 1.4×10-7 |
| 700℃挤压棒 | 206 | 400 | 0.32 | 0.19 | 0.72×10-7 |
表6 Zr-2.5Nb-0.5Cu合金的力学性能
| 合金状态 | 试验温度 | 抗拉强度/MPa | 屈服强度/MPa | 伸长率/% | 断面收缩率/% |
| 700℃，1h退火 | 室温 | 584 | 481 | 26.6 | 53.8 |
| 300℃ | 418 | — | 27.8 | 75.7 | |
| 50%冷作+400℃24h时效 | 室温 | 727 | 521 | 20.0 | 48.2 |
| 300℃ | 510 | — | 20.2 | 64.4 | |
| 20%冷作+400℃24h时效 | 室温 | 683 | 490 | 21.0 | 46.4 |
| 300℃ | 428 | — | 22.0 | 63.3 | |
| 825℃水淬+525℃6h时效 | 室温 | 869 | 771 | 16.8 | 61.9 |
| 300℃ | 559 | 445 | 19.3 | 81.7 |
腐蚀性能 锆-铌合金的腐蚀性能取决于铌含量和杂质含量。铌可显著改善锆中杂质的有害作用，锆铌合金的腐蚀性能与热处理后的组织状态有关，Zr-1Nb和Zr-2.5Nb合金的腐蚀性能分别列于表7和表8。
表7 Zr-Nb合金在400℃蒸汽中腐蚀动力学方程
| 试样状态 | 腐蚀动力学方程△m=ktn | 转折时间/d |
转折前平均腐蚀速率 /mg·(dm2·d)-1 |
腐蚀速度常数K /mg·(dm2·d)-1 |
| 冷加工 | log△m=0.954+0.43logt |
126d 未转折 |
0.61 | 9.0 |
| 500℃，1h退火 |
log△m=0.903+0.43logt △m-53=0.72(t-70) (t>70) |
70 | 0.65 | 8.0 |
|
580℃，1h 退火 |
log△m=0.977+0.43logt △m-62=1.12(t-56) (t>56) |
56 | 0.95 | 9.5 |
| 焊接 |
log△m=1.079+0.43logt △m-54=1.38(t-28) (t>28) |
28 | 1.44 | 12.0 |
表8 Zr-2.5Nb合金的腐蚀性能
| 试 样 状 态 |
300℃水，300d的△m /mg·dm-2 |
345℃水的K2 /mg·dm-2 |
400℃蒸汽的K2 /mg·dm-2 |
| β水淬+时效 | 110.9 | 1.72 | 3.22 |
| β水淬+15%冷作+时效 | 33.5 | 0.57 | 3.22 |
| 高(α+β)水淬+时效 | 23.1 | 0.28 | 1.03 |
| 高(α+β)水淬+15%冷作+时效 | 28.1 | 0.22 | 0.95 |
| 20%冷作+400℃，24h时效 | 25.4 | 0.30 | 1.02 |
| 20%冷作+500℃，5h时效 | 53.4 | 0.44 | 1.23 |
| Zr-4 | 19.4 | 0.15 | 0.36 |