SE514678C2 - Förfarande för framställning av en komponent utsatt för förhöjd strålning i en korrosiv miljö - Google Patents

Description

514678. ter som kapslingsrör växer i sin längdriktning och riskerar att skadas allvarligt på grund av att de därvid tvingas att böja sig.

Ettannat exempel är spridarplåtar som därigenom hindras från att växa i sådana riktningar att onödigt stora spel föreligger mel- lan dessa och de kapslingsrör som de är inrättade att hålla, vilka spel resulterar i ofördelaktig nötning av kapslingsrören. Genom ß-släckning av plåtar till boxar i kärnenergianläggningar, är det även möjligt att undvika att en preferentiell tillväxt i axiell riktning sker vid bestràlning därav. En sådan tillväxt skulle annars kunna leda till böjning av boxen, vilket i sin tur orsakar i sig kända följd- problem i reaktorhärden. ß-släckningen innebär även att man avlägsnar resultatet av tidi- gare värmebehandlingar hos legeringens struktur, och gör det därigenom möjligt att avlägsna grova, oönskade strukturer, Vid ß-släckningen bildas a-lameller, eller rättare sagt paket av ot-la- meller i de ß-korn som legeringen uppvisar i ß-fasområdet, d v s den första, högre temperaturen. För att erhålla en gynnsam struktur med relativt korta och tunna a-lameller och ett flertal ot- lamellpaket i varje ursprungligt ß-faskorn bör ß-släckningen vara relativt snabb. Ordinär ß-släckning innebär därför att komponen- ten sänks ned i ett vattenbad, vilket resulterar i en mycket snabb kylning av legeringen och följaktligen tunna a-lameller.

Ytterytor hos komponenten, av vilka åtminstone vissa kommer att vara i omedelbar kontakt med ett korrosivt medium samtidigt som de är utsatta för strålning då komponenten används, kommer där- vid i omedelbart kontakt med kylmediet och kyls väsentligt snab- bare än kärnområden i de plåtar, rör, stänger, etc som på detta sätt kyls. De sekundärfaspartiklar som bildas vid korngräns- områdena i ot-fasen hinner därvid inte växa till optimal storlek med tanke på deras bidrag till legeringens korrosionshärdighet.

Ytterskikt med otillräcklig korrosionshärdighet erhålls sålunda.

Enligt tidigare teknik har detta problem avhjälpts genom att man mekaniskt bearbetat eller, om möjligt, etsat bort sådana skikt hos nämnda komponenter. .514 678 En sådan bearbetning för att avlägsna dylika skikt innebär emel- lertid att ett ytterligare arbetsmoment tillkommer vid framställ- ningen av sådana komponenter, varvid detta arbetsmoment bi- drar till att försvåra framställningen av komponenten och dess- utom göra den dyrare.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Ett syfte med den föreliggande uppfinningen att tillhandahålla ett förfarande som reducerar eller helt eliminerar behovet av att bearbeta bort ytterskikt hos en ß-släckt legering av det inledningsvis definierade slaget på grund av att dessa skikt vid ß-släckningen erhållit otillräcklig korrosionshärdighet på grund av de kylningsförhållanden som komponenten utsätts för vid ß-släckningen. Förfarandet skall göra det möjligt att redan vid eller omedelbart efter ß-släckningen uppnå en önskad sekundär- faspartikelstorlek och -fördelning vid nämnda skikt.

Dessa syften uppnås medelst ett förfarande av det inledningsvis definierade slaget, vilket är kännetecknat av att snabbkylningen åtminstone inledningsvis styrs på sådant sätt att svalningshastig- heten åtminstone vid en komponentyta som innefattar legeringen och som är ägnad att vara i direkt kontakt med den korrosiva mil- jön är lägre än vad den skulle ha varit om kylningen skett genom ordinär släckning av komponenten i vatten.

Tack vare en långsammare kylning än normalt av nämnda lege- ringsyta eller komponentyta ges Sekundärfaspartiklarna tid att under kylningen växa till större storlekar än vid ordinär kylning med vatten, varigenom en förbättrad korrosionshärdighet erhålls i området av nämnda yta. Med yta avses företrädesvis även det eller de skikt hos legeringen som ligger närmast under nämnda yta. Det är emellertid logiskt att anta att dessa svalnar långsam- mare än ytan och att dessa skikt kan förutsättas ha tillräcklig sekundärfaspartikelstorlek då legeringen vid ytan uppvisar tillräcklig sekundärfaspartikelstorlek med tanke på sekundärfa- sens bidrag till korrosionshärdigheten. Sekundärfaspartiklarna ut- .514 678 4 skiljs företrädesvis i korngränsområden hos den andra struktu- ren.

Den första strukturen är en BCC-struktur och den andra en HCP- struktur. Ett typiskt sådant material är zirkoniumbaserade legeringar. Sådana legeringar har sådana egenskaper att de används i applikationer där de är föremål för förhöjd strålning i en korrosiv miljö, i synnerhet i kårnenergianläggningar. Sådana legeringar fordrar normalt dessutom en ß-släckning i syfte att av- lägsna en riktad textur som de erhållit i ett tidigare framställ- ningsskede.

Enligt ytterligare ett föredraget utförande är legeringen en zirko- niumbaserad legering. Sådana legeringar används ofta i kompo- nenter i kårnenergianläggningar och uppvisar därvid ytor som är i omedelbar kontakt med den omgivande korrosiva miljön, d v s det omgivande korrosiva mediet, och som samtidigt är föremål för en förhöjd strålning.

Enligt ytterligare ett föredraget utförande är nämnda svalnings- hastighet mindre än 100°C/sekund, företrädesvis mindre än 50°C/sekund, och mest föredraget mindre än 25°C/sekund. Des- sa svalningshastighetsvärden är fördelaktiga för zirkoniumbase- rade legeringar i allmänhet och för zirkoniumbaserade legeringar enligt specifikationerna för Zirkaloy-legeringar, såsom Zirkaloy-2 och Zirkaloy-4, i synnerhet. Tack vare en tillräckligt låg sval- ningshastighet ges sekundärfaspartiklarna tillräcklig tid att växa till en storlek som gynnar legeringens korrosionshärdighet.

Enligt ytterligare ett föredraget utförande utnyttjas ett kylmedium med en sämre kylningsförmåga än vatten, åtminstone under ett inledande skede av kylningen, för att åstadkomma nämnda styrda svalningshastighet. Alternativt kan vatten eller något medium med liknande kylningsförmåga utnyttjas under det att man und- viker att bringa detta medium i direkt kontakt med sådana ytor hos komponenten som vid användningen därav kommer att var i omedelbar kontakt med ett korrosivt medium och vid vilka ytor man önskar sänka svalningshastigheten jämfört med det fall då .514 678 ytorna skulle ha varit i omedelbar kontakt med ett kylmedium med en kylningsförmåga liknande den hos vatten. I ett inledande skede av kylningen är det sålunda tänkbart att kyla komponenten i luft, någon gas eller gasblandning, ånga eller exempelvis någon vätska med reducerad värmeledningsförmåga relativt vatten, t ex olja. I viss mån kan svalningshastigheten styras genom en styrd cirkulation eller omrörning av kylmediet, samt genom lämpligt val av dettas temperatur.

Enligt ett ytterligare föredraget utförande sker kylningen initialt genom att komponenten bringas i kontakt med ett första kylmedi- um med sämre kylningsförmåga, såsom en gas, varefter den bringas i kontakt med ett andra kylmedium med en bättre kyl- ningsförmåga än det första kylmediet. Genom att i ett senare skede tillgripa kylning medelst ett kylmedium med bättre kyl- ningsförmåga, såsom vatten, undviker man i synnerhet att kärn- områden hos komponenter med stor godstjocklek kyls alltför långsamt. I fallet med zirkoniumbaserade legeringar bör kylning- en vara så snabb att inte alltför långa och tjocka a-lameller er- hålls i materialet. Genom att övergå till kylning med ett effekti- vare kylmedium är det möjligt att undvika att svalningshastighe- ten når under en undre gräns för vilken a-lameiler med accepta- bel längd erhålls. I zirkoniumbaserade legeringar i allmänhet bör man undvika en svalningshastighet som är åtminstone väsentligt lägre än approximativt 1°C/sekund.

Enligt ytterligare ett föredraget utförande fortgår kylningen me- delst det första kylmediet intill dess att en i förväg fastställd tem- peratur erhållits vid nämnda komponentyta. Man styr sålunda kyl- ningen vid nämnda yta så att en tillräckligt låg svalningshastighet erhålls där för att tillåta en tillräcklig sekundärfaspartikeltillväxt.

Då temperaturen vid nämnda yta sjunkit till ett värde där man, med den givna svalningshastigheten, kan anta att sekundär- faspartiklarna erhållit en tillräcklig storlek och fördelning, övergår man sålunda till ett effektivare kylmedium för att undvika en alltför långsam svalning i övriga delar av komponenten. 514-678 Enligt ytterligare ett föredraget utförande ligger den i förväg fast- ställda temperaturen i ett område där åtminstone en väsentlig del av legeringen vid nämnda yta hos komponenten övergått från den första strukturen till den andra strukturen. l fallet med en zirkoni- umbaserad legering ligger sålunda den i förväg fastställda tem- peraturen i ett temperaturområde där åtminstone en väsentlig del av legeringen vid nämnda yta hos komponenten övergått från ß-fas till oL-fas. Företrädesvis har väsentligen :all ß-fas övergått till a-fas vid nämnda temperatur. Under denna temperatur sker tillväxten av sekundärfaspartiklar dessutom mycket långsamt och en fortsatt kylning medelst det första kylmediet skulle enbart få en marginell effekt på sekundärfaspartikelstorleken vid ytan ifråga.

Enligt ytterligare ett föredraget utförande innefattar legerings- elementet åtminstone ett av grundämnena Fe, Ni, Cr, V, W, Si.

De olika legeringselementen i denna grupp av legeringselement används av olika orsaker i zirkoniumbaserade legeringar. De har låg löslighet i ot-fasen, men betydligt högre löslighet i ß-fasen och kommer därför att skiljas ut i oi-fasen då legeringen kyls från ß-fasen till a-fasen. Detta förutsätter att halten av legerings- elementet eller legeringselementen överstiger den halt som maxi- malt kan lösas i ot-fasen. Denna halt är emellertid låg, av stor- leksordningen 200 ppm för zirkoniumbaserade legeringar, och överskrids med stor marginal hos de legeringar som är relevanta i detta fall.

Ytterligare fördelar med och särdrag hos uppfinningen kommer att framgå av den följande, detaljerade beskrivningen samt av resten av de bifogade patentkraven. 514 6.78 DETALJERAD UTFÖRANDE BESKRlVNlNG AV ETT FÖREDRAGET En solid stång av ett zirkoniumbaserat material som är ägnad att senare borras ur och användas som kapslingsrör i en kärnenergi- anläggning har vid framställningen därav erhållit en riktad textur och eventuellt även en grov struktur på grund av tidigare värme- behandlingar. Den riktade texturen har uppkommit till följd av den mekaniska bearbetning som stången varit föremål för. För att eliminera den riktade texturen och den eventuella grova struk- turen i materialet värms stången upp till en temperatur i lege- ringens ß-fasområde.

Legeringen hålls i ß-fasområdet så kort tid som möjligt för att undvika onödigt stor tillväxt av ß-faskornen. Därefter kyls stång- en inledningsvis i ett första kylmedium, vilket har väsentligt säm- re kylningsförmåga än vatten. Det första kylmediet är valt för att resultera i en viss svalningshastighet hos stångens ytteryta, främst dess mantelyta, vid en given stångdimension. Svalnings- hastigheten vid nämnda yta skall vara sådan att en tillräcklig till- växt av sekundärfaspartiklar erhållits hos legeringen vidytan, då ytan nått en temperatur vid vilken ytterligare tillväxt av sekun- därfaspartiklarna i huvudsak är diffusionsbetingad och sker rela- tivt långsamt. Då nämnda temperatur erhållits vid stångens yta övergår man successivt eller omedelbart till kylning med ett andra kylmedium, vilket har en bättre kylningsförmåga än det första kylmediet. Det andra kylmediet är lämpligtvis vatten och i detta fall sker kylningen med det andra kylmediet genom att komponenten, d v s stången, sänks ned i ett bad med vatten.

Fram till dess att kylningen med det andra kylmediet initieras har kylningen sålunda styrts så att svalningshastigheten hos kompo- nentens ytteryta, d v s den yta som senare, vid användning av komponenten kommer att vara i omedelbar kontakt med ett korro- sivt medium, svalnar med en svalningshastighet av storleksord- ningen 10-25°C/sekund. Det är självklart att svalningshastigheten vid ytan skall vara sådan att även ett område närmast under ytan kunnat svalna väsentligen på det sätt som nu beskrivits för ytan. 514 678 8 Det är sålunda önskvärt att ett skikt, vars tjocklek kan variera från fall till fall, närmast undre nämnda yta svalnat väsentligen på det sätt som beskrivits för ytan och sålunda erhållit sekundärfas- partiklar med en sådan storlek och fördelning att detta skikt upp- visar god korrosionshållfasthet om det skulle bli föremål för ome- delbar kontakt med det korrosiva medium i vilket komponenten, i detta fall stången, är ägnad att användas.

Den resterande kylningen av komponenten i det andra kylmediet skall resultera i en sådan svalningshastighet hos komponentens legering att de a-faslameller som bildas i legeringen inte blir oacceptabelt långa och tjocka med tanke på bl a legeringens hállfasthetsegenskaper.

Då kylningen har avslutats har stången en ytteryta eller ett yttre skikt som uppvisar sekundärfaspartiklar med en sådan storlek och en sådan fördelning att detta gynnar korrosionshärdigheten hos nämnda skikt. Det är således inte nödvändigt att bearbeta bort det yttre skiktet för att på så vis komma ned till ett skikt med tillfredsställande sekundärfaspartikelstorlek och -fördelning med hänsyn till korrosionshärdigheten. Detta hade emellertid varit fal- let om komponenten på ordinärt sätt snabbkylts genom ß-släck- ning i vatten, d v s omedelbar nedsänkning i ett vattenbad.

Komponenten är i detta fall en stång som skall användas som kapslingsrör i en kärnenergianläggning. Den skulle lika väl kunna vara en spridare, en boxplåt, ledrör eller liknande. Den kommer att vara föremål för en korrosiv miljö, vilken kan vara såväl oxiderande som reducerande och innefatta ett korrosivt medium, t ex kylvatten, med vilket ytor hos komponenten är i omedelbar kontakt. Den utsätts dessutom för neutronstrålning av typen snabba neutroner.

Ett flertal varianter och alternativa utföranden av uppfinningen kommer enkelt att inses av en fackman inom området, men kom- mer att täckas av uppfinningstanken sådan denna är definierad i de bifogade patentkraven.

Claims (10)

10 15 20 25 30 35 2514 eva 9 Krav

1.* Förfarande för framställning av en komponent ägnad att vara föremål för förhöjd strålning i en korrosiv miljö, varvid kompo- nenten innefattar en legering som vid en första, hög temperatur uppvisar en BCC-struktur och som vid en andra, lägre temperatur uppvisar en HCP-struktur, varvid legeringen innefattar åtminsto- ne ett legeringselement som har låg löslighet i HCP-strukturen och varvid legeringen snabbkyls från den första till den andra temperaturen under det att sekundärfaspartiklar som innefattar nämnda legeringselement och som bidrar till förbättrade korro- sionsegenskaper hos legeringen utskiljs i HCP-strukturen, känne- tecknat av att snabbkylningen styrs på sådant sätt att svalnings- hastigheten åtminstone vid en legeringsyta hos komponenten som är ägnad att vara i direkt kontakt med den korrosiva miljön är lägre än vad den skulle ha varit om kylningen skett genom ordinär släckning av komponenten i vatten, genom att kompo- nenten bringas i kontakt med ett första kylmedium med sämre kylningsförmåga, varefter den bringas i kontakt med och kyls medelst ett andra kylmedium med en bättre kylningsförmåga än det första kylmediet.

2. Förfarande enligt krav 1, kännetecknat av att legeringen är en zirkoniumbaserad legering.

3. Förfarande enligt krav 1 eller 2, strålningen är av typen snabba neutroner. kännetecknat av att

4. Förfarande enligt något av kraven 1-3, kännetecknat av att nämnda svalningshastighet är lägre än 100°C/sekund, företrä- desvis lägre än 50°C/sekund och mest föredraget lägre än 25°C/sekund. 5. Förfarande enligt något av kraven 1-4, kännetecknat av att ett kylmedium med en sämre kylningsförmåga än vatten används åtminstone under ett inledande skede av kylningen, för att åstadkomma nämnda styrda svalningshastighet. 10 15 20

5.14 678m 10

6. Förfarande enligt krav 5, kännetecknat av att kylningen medelst det första kylmediet fortgår intill dess att en i förväg fastställd temperatur erhållits vid nämnda legeringsyta.

7. Förfarande enligt krav 6, kännetecknat av att den i förväg fastställda temperaturen ligger i ett område där en väsentlig del av legeringen vid nämnda legeringsyta hos komponenten över- gått från den första strukturen till den andra strukturen.

8. Förfarande enligt något av kraven 1-7, kännetecknat av att legeringselementet innefattar åtminstone ett av grundämnena Fe, Ni, Cr, V, W, Si.

9. Förfarande enligt något av kraven 1-8, kännetecknat av att komponenten är avsedd för användning i en kärnreaktoran- läggning.

10. Förfarande enligt något av kraven 1-9, kännetecknat av att snabbkylningen innefattar en ß-släckning av komponenten.