一種適用於中子輻照環境的低活化貝氏體鋼及製備方法與流程
2023-12-02 04:15:41 2
本發明涉及一種適用於中子輻照環境的低活化貝氏體鋼及製備方法，屬於金屬材料領域。適用於聚變堆，另外也適用於其它反應堆使用。
背景技術：
核聚變能作為一種取之不盡的「清潔」能源，是當前國際上的研究熱點。為避免材料受長時間中子輻照後產生長壽命放射性核素，聚變堆要求其使用的結構材料為低活化材料。其目的是為了儘可能的降低由於結構材料活化而引起的潛在放射性危害、減少放射性核廢物的後處理及其費用。低活化鋼是主要是以W、Ta、V和Mn取代一般鋼中的Mo、Nb、Cu和Ni等元素。Mo、Nb、Cu和Ni等元素受高能中子輻照後會產生長壽命的放射性核素，其中有些放射性核素的半衰期長達幾萬甚至幾十萬年以上，通過嚴格控制這些元素的含量，可使材料獲得低活化的特性。國內外對聚變堆用的低活化鋼材料進行了大量的研究，主要是低活化馬氏體鋼，如歐洲的Eurofer鋼、日本的F82H鋼以及中國的CLAM鋼等。為滿足低活化的要求，低活化馬氏體鋼冶煉必須採用高純原料，然而低活化馬氏體鋼的合金成分較高，冶煉成本高。此外，低活化馬氏體鋼焊接後，焊縫應力較大，硬度高，塑韌性差，焊後需要熱處理，不適合製作大型的複雜部件。而現有的T24貝氏體鋼，由於含有Mo等長周期放射性元素而不具備低活化的特性，在核電站中使用會存在潛在的放射性危害，增加放射性核廢物後處理的費用。
技術實現要素：
本發明技術解決問題：克服現有技術的不足，提出一種適用於中子輻照環境的低活化貝氏體鋼，該材料具有較好綜合力學性能、高溫性能以及低活化特性，焊後無需熱處理，適合製造大型部件，能夠滿足聚變系統的真空容器及其外圍大型附屬部件、結構環等構件的使用要求。
本發明的技術方案如下：一種適應於中子輻照環境的低活化貝氏體鋼，其中：基體元素為Fe元素，其中含有Cr 2.5～3.5％，W 2.2～2.8％，V 0.2～0.25％，Ta 0.12～0.18％，Mn 0.40～0.80％，Si 0.40～0.45％，C 0.08～0.12％，N 0.01～0.05％，P≤0.01％，S≤0.005％，O≤0.005％，Al≤0.01％，Ni≤0.005％，Nb≤0.001％，Co≤0.005％，Cu≤0.005％，Mo≤0.005％(wt.％)。該鋼種成分配比採用W、Ta、V和Mn取代一般鋼中的Mo、Nb、Cu和Ni等元素，以獲得低活化的特性。
所述Cr 3.0％，W 2.5％，V 0.2％，Ta 0.15％，Mn 0.6％，Si 0.4％，C 0.1％，N0.03％，P≤0.01％，S≤0.005％，O≤0.005％，Al≤0.01％，Ni≤0.005％，Nb≤0.001％，Co≤0.005％，Cu≤0.005％，Mo≤0.005％，其餘為Fe元素。
低活化貝氏體鋼的配方中嚴格控制中子輻照後可產生長壽命放射性核素Mo、Ni、Cu、Nb，以保證其具有低活化的特性，具體控制要求為：Ni≤0.005％，Nb≤0.001％，Co≤0.005％，Cu≤0.005％，Mo≤0.005％。
一種適用於中子輻照環境的低活化貝氏體鋼的製備方法，按照前述中的成分配比，根據原料的性質將原料依次加入真空感應爐，之後採用真空自耗電弧熔煉進一步提純，將所得鑄錠依次進行鍛造和軋制，材料的最終熱處理工藝為：1100～1200℃/50～70min淬火，720～760℃/60～90min回火，回火後得到回火貝氏體組織。
本發明從對聚變堆結構材料的低活化特性和性能要求等方面綜合考慮，通過借鑑低活化鐵素體/馬氏體鋼的研究成果，對現有的低活化貝氏體鋼的成分配比進行了進一步的研究與優化。雖然9％Cr能保證輻照後材料具有較低的DBTT值，但作為非第一壁的大型部件來說，接受到的輻照劑量是有限的，而高的Cr含量會提高材料的淬透性，阻礙或抑制材料在冷卻過程中形成下貝氏體，因而本發明的Cr含量選為2.5～3.5％；2.2～2.8％W是為了保證材料在具有較高強度和較低DBTT的同時減少脆性相Laves相的析出；0.2～0.25％V和0.12～0.18％Ta是為了形成彌散強化的MX相，提高材料的綜合力學性能以及高溫性能；0.40～0.45％Si添加的目的是為了使材料在高溫氧化氣氛中服役表面形成一層SiO2薄膜，從而提高材料在高溫時的抗氧化性，此外，Si的添加可抑制C擴散，有助於下貝氏體形成；0.40～0.80％Mn是為了穩定奧氏體並增加MX相在奧氏體化時的固溶度，0.01～0.05％N有助於形成大量的MX相。
此結構材料具有低活化特性、良好的綜合力學性能、較高的高溫性能以及焊後可無需熱處理等特性，適合在聚變堆中輻照劑量相對較低的環境下使用，如聚變堆真空容器和結構環等。採用本發明的低活化貝氏體鋼作為核聚變堆結構材料，經中子輻照後，其放射性水平可在較短的時間內降低至可遠程操作的劑量率水平10mSv/h以下。
本發明與現有技術相比的優點在於：
(1)本發明所述低活化貝氏體鋼的合Cr元素含量比低活化馬氏體鋼低約6％，高純Cr的價格為270000元/噸，因此每噸低活化貝氏體鋼的成本至少比低活化馬氏體鋼節約成本16000元。
(2)本發明所述低活化貝氏體鋼相比於低活化馬氏體鋼通過降低Cr含量，降低了材料的淬透性，阻礙或抑制材料在冷卻過程中形成下馬氏體組織，而易於形成貝氏體組織；另外，Si的添加可抑制C擴散，有助於下貝氏體形成；因此，本發明所述低活化貝氏體鋼焊後焊縫可得到性能較好的貝氏體組織，無需進行焊後熱處理，適合製作大型部件，如聚變堆的真空容器，結構環。
(3)由於本發明所述低活化貝氏體鋼的晶體結構為體心立方結構，相比於316L奧氏體鋼的面心立方結構具有較好的抗輻照腫脹；此外316L奧氏體鋼含有Mo、Ni等經中子輻照後可產生長壽命放射性核素，不具備低活化的特性。
(4)本發明所述低活化貝氏體鋼與現有的T24貝氏體鋼相比，通過嚴格控制Mo等經中子輻照後可產生長壽命放射性核素的含量，使本發明的結構鋼材料具有低活化的特性。
(5)本發明所述低活化貝氏體鋼與現有的T24貝氏體鋼相比，添加了元素Ta和V，是材料在加工成型過程中大量析出細小彌散的MX相(M為Ta或V，X為C或N)，細小彌散的MX相可阻礙位錯以及晶界的移動，提高材料的抗變形能力，大大提高材料的力學性能，尤其是高溫力學性能。
(6)本發明的低活化貝氏體鋼室溫力學性能為：熱處理後材料的室溫屈服強度Rp0.2≥500MPa，抗拉強度板Rm≥630MPa延伸率A≥20％，斷面收縮率Z≥70％；橫向衝擊功和縱向衝擊功Akv≥320J；在550℃，190MPa應力條件下的蠕變持久時間超過10000h。這些性能均滿足聚變堆的設計要求。
具體實施方式
下面結合具體實施例詳細介紹本發明。但以下的實施例僅限於解釋本發明，本發明的保護範圍應包括權利要求的全部內容，不僅僅限於本實施例。
實施例1：
(1)按照成分配比：Cr 2.5％，W 2.3％，V 0.20％，Ta 0.15％，Mn 0.50％，Si 0.40％，C 0.10％，N 0.04％，P≤0.01％，S≤0.005％，O≤0.005％，Al≤0.01％，Ni≤0.005％，Nb≤0.001％，Co≤0.005％，Cu≤0.005％，Mo≤0.005％(wt.％)以及合金的燒損量配比原材料。
(2)在真空感應爐中根據合金元素的燒損和揮發特性依次加入原材料，易氧化合金元素脫氧充分後加入，易揮發合金元素在氣氛保護下或者熔煉末期停止抽真空加入，原材料經真空感應熔煉後製備出成分合格的鑄錠。
(3)將製備好的鑄錠採用真空自耗電弧熔煉，進一步提純材料。
(4)將步驟(3)得到的鑄錠進行鍛造，初始鍛造溫度為1150℃，保溫50min，終鍛溫度900℃。
(5)將鍛造的材料進行軋制處理，軋制溫度1100℃，保溫60min，終軋溫度850℃，軋制後空冷，總的變形量不低於80％。
(6)材料軋制後進行熱處理，熱處理制度為：1100～1200℃保溫50～70min後淬火，將淬火後的材料在720～760℃保溫60～90min後空冷回火，最終得到回火下貝氏體組織
(7)將所得材料進行性能測試，室溫屈服強度(Rp0.2)531MPa，抗拉強度板(Rm)637MPa，延伸率(A)22％，斷面收縮率(Z)79％；橫向衝擊功和縱向衝擊功(Akv)337J；在550℃，190MPa應力條件下的蠕變持久時間超過10000h。這些性能均滿足聚變堆的設計要求。
實施例2：
(1)按照成分配比：Cr 2.8％，W 2.5％，V 0.20％，Ta 0.15％，Mn 0.50％，Si 0.40％，C 0.10％，N 0.04％，P≤0.01％，S≤0.005％，O≤0.005％，Al≤0.01％，Ni≤0.005％，Nb≤0.001％，Co≤0.005％，Cu≤0.005％，Mo≤0.005％(wt.％)以及合金的燒損量配比原材料。
(2)在真空感應爐中根據合金元素的燒損和揮發特性依次加入原材料，易氧化合金元素脫氧充分後加入，易揮發合金元素在氣氛保護下或者熔煉末期停止抽真空加入，原材料經真空感應熔煉後製備出成分合格的鑄錠。
(3)將製備好的鑄錠採用真空自耗電弧熔煉，進一步提純材料。
(4)將步驟(3)得到的鑄錠進行鍛造，初始鍛造溫度為1150℃，保溫50min，終鍛溫度900℃。
(5)將鍛造的材料進行軋制處理，軋制溫度1100℃，保溫60min，終軋溫度850℃，軋制後空冷，總的變形量不低於80％。
(6)材料軋制後進行熱處理，熱處理制度為：1100～1200℃保溫50～70min後淬火，將淬火後的材料在720～760℃保溫60～90min後空冷回火，最終得到回火下貝氏體組織
(7)將所得材料進行性能測試，室溫屈服強度(Rp0.2)535MPa，抗拉強度板(Rm)641MPa，延伸率(A)21％，斷面收縮率(Z)77％；橫向衝擊功和縱向衝擊功(Akv)329J；在550℃，190MPa應力條件下的蠕變持久時間超過10000h。這些性能均滿足聚變堆的設計要求。
實施例3：
(1)按照成分配比：Cr 3.0％，W 2.5％，V 0.20％，Ta 0.15％，Mn 0.50％，Si 0.40％，C 0.10％，N 0.04％，P≤0.01％，S≤0.005％，O≤0.005％，Al≤0.01％，Ni≤0.005％，Nb≤0.001％，Co≤0.005％，Cu≤0.005％，Mo≤0.005％(wt.％)以及合金的燒損量配比原材料。
(2)在真空感應爐中根據合金元素的燒損和揮發特性依次加入原材料，易氧化合金元素脫氧充分後加入，易揮發合金元素在氣氛保護下或者熔煉末期停止抽真空加入，原材料經真空感應熔煉後製備出成分合格的鑄錠。
(3)將製備好的鑄錠採用真空自耗電弧熔煉，進一步提純材料。
(4)將步驟(3)得到的鑄錠進行鍛造，初始鍛造溫度為1150℃，保溫50min，終鍛溫度900℃。
(5)將鍛造的材料進行軋制處理，軋制溫度1100℃，保溫60min，終軋溫度850℃，軋制後空冷，總的變形量不低於80％。
(6)材料軋制後進行熱處理，熱處理制度為：1100～1200℃保溫50～70min後淬火，將淬火後的材料在720～760℃保溫60～90min後空冷回火，最終得到回火下貝氏體組織。
(7)將所得材料進行性能測試，室溫屈服強度(Rp0.2)539MPa，抗拉強度板(Rm)643MPa，延伸率(A)19％，斷面收縮率(Z)75％；橫向衝擊功和縱向衝擊功(Akv)322J；在550℃，190MPa應力條件下的蠕變持久時間超過10000h。這些性能均滿足聚變堆的設計要求。
實施例4：
(1)按照成分配比：Cr 3.3％，W 2.5％，V 0.20％，Ta 0.15％，Mn 0.50％，Si 0.40％，C 0.10％，N 0.04％，P≤0.01％，S≤0.005％，O≤0.005％，Al≤0.01％，Ni≤0.005％，Nb≤0.001％，Co≤0.005％，Cu≤0.005％，Mo≤0.005％(wt.％)以及合金的燒損量配比原材料。
(2)在真空感應爐中根據合金元素的燒損和揮發特性依次加入原材料，易氧化合金元素脫氧充分後加入，易揮發合金元素在氣氛保護下或者熔煉末期停止抽真空加入，原材料經真空感應熔煉後製備出成分合格的鑄錠。
(3)將製備好的鑄錠採用真空自耗電弧熔煉，進一步提純材料。
(4)將步驟(3)得到的鑄錠進行鍛造，初始鍛造溫度為1150℃，保溫50min，終鍛溫度900℃。
(5)將鍛造的材料進行軋制處理，軋制溫度1100℃，保溫60min，終軋溫度850℃，軋制後空冷，總的變形量不低於80％。
(6)材料軋制後進行熱處理，熱處理制度為：1100～1200℃保溫50～70min後淬火，將淬火後的材料在720～760℃保溫60～90min後空冷回火，最終得到回火下貝氏體組織
(7)將所得材料進行性能測試，室溫屈服強度(Rp0.2)536MPa，抗拉強度板(Rm)647MPa，延伸率(A)19％，斷面收縮率(Z)77％；橫向衝擊功和縱向衝擊功(Akv)324J；在550℃，190MPa應力條件下的蠕變持久時間超過10000h。這些性能均滿足聚變堆的設計要求。
實施例5：
(1)按照成分配比：Cr 3.0％，W 2.8％，V 0.20％，Ta 0.15％，Mn 0.50％，Si 0.40％，C 0.10％，N 0.04％，P≤0.01％，S≤0.005％，O≤0.005％，Al≤0.01％，Ni≤0.005％，Nb≤0.001％，Co≤0.005％，Cu≤0.005％，Mo≤0.005％(wt.％)以及合金的燒損量配比原材料。
(2)在真空感應爐中根據合金元素的燒損和揮發特性依次加入原材料，易氧化合金元素脫氧充分後加入，易揮發合金元素在氣氛保護下或者熔煉末期停止抽真空加入，原材料經真空感應熔煉後製備出成分合格的鑄錠。
(3)將製備好的鑄錠採用真空自耗電弧熔煉，進一步提純材料。
(4)將步驟(3)得到的鑄錠進行鍛造，初始鍛造溫度為1150℃，保溫50min，終鍛溫度900℃。
(5)將鍛造的材料進行軋制處理，軋制溫度1100℃，保溫60min，終軋溫度850℃，軋制後空冷，總的變形量不低於80％。
(6)材料軋制後進行熱處理，熱處理制度為：1100～1200℃保溫50～70min後淬火，將淬火後的材料在720～760℃保溫60～90min後空冷回火，最終得到回火下貝氏體組織。
(7)將所得材料進行性能測試，室溫屈服強度(Rp0.2)546MPa，抗拉強度板(Rm)651MPa，延伸率(A)19％，斷面收縮率(Z)73％；橫向衝擊功和縱向衝擊功(Akv)325J；在550℃，190MPa應力條件下的蠕變持久時間超過10000h。這些性能均滿足聚變堆的設計要求。
實施例6：
(1)按照成分配比：Cr 3.0％，W 2.3％，V 0.20％，Ta 0.15％，Mn 0.50％，Si 0.40％，C 0.10％，N 0.04％，P≤0.01％，S≤0.005％，O≤0.005％，Al≤0.01％，Ni≤0.005％，Nb≤0.001％，Co≤0.005％，Cu≤0.005％，Mo≤0.005％(wt.％)以及合金的燒損量配比原材料。
(2)在真空感應爐中根據合金元素的燒損和揮發特性依次加入原材料，易氧化合金元素脫氧充分後加入，易揮發合金元素在氣氛保護下或者熔煉末期停止抽真空加入，原材料經真空感應熔煉後製備出成分合格的鑄錠。
(3)將製備好的鑄錠採用真空自耗電弧熔煉，進一步提純材料。
(4)將步驟(3)得到的鑄錠進行鍛造，初始鍛造溫度為1150℃，保溫50min，終鍛溫度900℃。
(5)將鍛造的材料進行軋制處理，軋制溫度1100℃，保溫60min，終軋溫度850℃，軋制後空冷，總的變形量不低於80％。
(6)材料軋制後進行熱處理，熱處理制度為：1100～1200℃保溫50～70min後淬火，將淬火後的材料在720～760℃保溫60～90min後空冷回火，最終得到回火下貝氏體組織。
(7)將所得材料進行性能測試，室溫屈服強度(Rp0.2)521MPa，抗拉強度板(Rm)635MPa，延伸率(A)20％，斷面收縮率(Z)75％；橫向衝擊功和縱向衝擊功(Akv)324J；在550℃，190MPa應力條件下的蠕變持久時間超過10000h。這些性能均滿足聚變堆的設計要求。
總之，本發明所述低活化貝氏體鋼的合金含量低，價格便宜，且焊後可不需要熱處理，適合製作大型部件，如聚變系統的真空容器及其外圍大型附屬部件、結構環等。相比於316L奧氏體不鏽鋼，低活化貝氏體鋼具有良好的低活化特性、較好的抗輻照腫脹性能。低活化貝氏體鋼由於其針狀下貝氏體組使其具有較高的綜合力學性能，尤其高溫蠕變性能。
需要說明的是，按照本發明上述各實施例，本領域技術人員是完全可以實現本發明權利要求1及從屬權利的全部範圍的，實現過程及方法同上述各實施例；且本發明未詳細闡述部分屬於本領域公知技術。
以上所述，僅為本發明部分具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本領域的人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。