一種聚變堆用控氮型低活性鐵素體/馬氏體鋼的製作方法

2023-10-11 20:32:39 1

專利名稱：一種聚變堆用控氮型低活性鐵素體/馬氏體鋼的製作方法
技術領域：
本發明屬於馬氏體鋼，具體涉及一種聚變堆用低活性鐵素體/馬氏體鋼。
背景技術：
產氚實驗包層模塊(TBM)是國際熱核試驗反應堆(ITER)國際合作組織各成員國自行研究的主要內容，計劃要在ITER運行後期放入，放在裝置中中子流強最高、熱流密度最大的赤道面位置，來模擬和測試與未來聚變發電堆相關的材料和技術。作為包層第一壁的結構材料必須滿足在聚變堆中惡劣的環境下對中子輻照破壞具有足夠的抵抗能力，能承受高溫及溫度變化帶來的熱應力，與其它模塊和等離子體材料以及冷卻劑、增殖劑等具有相容性，並能保持整體機械力學性能和尺寸的穩定性，還要考慮到原材料充足性、技術成熟性及經濟性等諸多問題。現有技術中有部分特殊鋼種用於裂變反應堆，如P/T91鋼等，這些鋼種的主要合金元素有Nb、Mo、Co、Ni等，雖然現有技術中的鋼種在熱物理性能、機械性能等方面基本能滿足要求，但是會生成長久放射性產物。對聚變堆結構材料而言，在聚變反應產生的高能中子的輻照下不生成長久放射性產物是對其最基本的要求。低活性材料的含義就是經過若干年輻照後其放射性主要來自於短壽命或中等壽命放射性核素，這樣，材料自停堆起放置100 年後其放射性水平能降低80%以上使之滿足手工處置的條件。因此現有技術中的合金材料無法同時滿足聚變堆材料的低活性特性要求。

發明內容
本發明的目的是針對現有技術的缺陷，提供一種滿足聚變堆材料的低活性特性要求的低活性鐵素體/馬氏體鋼。本發明是這樣實現的一種低活性鐵素體/馬氏體鋼，按照質量百分比計算其各個成分及含量如下鉻8. 3% 8. 7% ；鎢1. 45% 1.6% ；錳0. ；35 % 0. 60 % ； 鉭0. 08% 0. 12% ；0. 09% 0. 11% ；釩0. 24% 0. 28% ；碳0. 10% 0. 12% ；氮 0. 025% 0. 050% ；餘量金屬鐵。如上所述的一種低活性鐵素體/馬氏體鋼，其中，按照質量百分比計算其各個成分及含量如下鉻8. 3% 8. 7% ；鎢1. 45% 1. 6% ；錳0. 35% 0. 60% ；鉭0. 09% 0. 11% ；釩0. 24% 0. 28% ；碳0. 10% 0. 12% ；氮0. 03% 0. 045% ；餘量金屬鐵。如上所述的一種低活性鐵素體/馬氏體鋼，其中，按照質量百分比計算其各個成分及含量如下鉻8. 5% ；鎢1. 55% ；錳0. 50% ；鉭0. 10% ；釩0. 24% ；碳0. 10% ；氮 0. 03% ；餘量金屬鐵。如上所述的一種低活性鐵素體/馬氏體鋼，其中，按照質量百分比計算其各個成分及含量如下鉻8. 3% ；鎢1. 6% ；錳0. 45% ；鉭0. 09% ；釩0. 27% ；碳0. 11% ；氮 0. 035% ；餘量金屬鐵。如上所述的一種低活性鐵素體/馬氏體鋼，其中，按照質量百分比計算其各個成分及含量如下鉻8. 7% ；鎢1. 45% M 0. 60% ；鉭0. 11% ；釩0. 25% ；碳0. 11% ；氮: 0. 045% ；餘量金屬鐵。本發明的優點是用本申請所列組份含量所製造的低活性鐵素體/馬氏體鋼在抗拉強度、屈服強度、延伸率方面完全滿足要求，同時滿足聚變堆的低活性要求。進一步的，當氮的含量控制在0. 03% 0. 045%範圍內時，各項參數更好。


圖1是用傳統技術製造鋼材進行室溫拉伸的斷口照片；圖2是放射性活度隨停堆時間的變化的示意圖；圖3是衰變餘熱隨停堆時間的變化的示意圖；圖4是用本申請技術製造鋼材進行室溫拉伸的斷口照片；圖5是本申請鋼材經不同溫度長時間時效處理後的力學性能變化的示意圖；圖6是現有技術的鋼在經熱處理後的用透射電鏡拍攝的微觀組織照片；圖7是現有技術的鋼在經熱處理後的碳化物類型分析(χ射線衍射)；圖8是本發明的鋼在經熱處理後的用透射電鏡拍攝的微觀組織照片；圖9是本發明的鋼在經熱處理後的碳化物類型分析(χ射線衍射)。
具體實施例方式下面結合具體實施例對本發明做進一步的說明一種低活性鐵素體/馬氏體鋼，按照質量百分比計算其各個成分及含量如下鉻 8. 3% 8. 7% ；鶴1. 45% 1. 6% ；猛0. 35% 0. 60% ；鉭0. 08% 0. 12% ；0. 09%
0.11% ；釩0. 24% 0. 28% ；碳0. 10% 0. 12% ；氮0. 025% 0. 050% ；餘量金屬鐵。上述低活性鐵素體/馬氏體鋼，按照質量百分比計算其各個成分及含量的優選範圍為鉻8. 3% 8. 7% ；鎢1. 45% 1. 6% ；錳0. 35% 0. 60% ；鉭0. 09% 0. 11% ； 釩0. 24% 0. 28% ；碳0. 10% 0. 12% ；氮0. 03% 0. 045% ；餘量金屬鐵。為保證該鋼的低活性特性，合金中活性雜質含量需控制在較低的水平，其中比較主要的雜質包括鈮、鉬、鎳、銅、鋁和鈷，這些雜質的含量均應小於質量百分比0.01%。本發明添加的各個有效成分的含量雖然很小，但是每種有效成分均有各自的作用，具體為鉻Cr含量為7% 9%時低活性鐵素體/馬氏體鋼具有最低的DBTT (韌脆轉變溫度)，還可以顯著提高鋼的再結晶溫度。但另一方面，該鋼中還含有其它鐵素體形成元素如W、V等，Cr含量過高則容易形成δ相(含δ相會影響鋼材的塑性和韌性)，Cr含量過低會導致鋼材的強度低同時影響DBTT參數(值)。為了保證得到完全馬氏體組織，本申請中Cr的質量份數選擇8. 3% 8. 7%。鎢合金的高溫強度隨著W含量的增加而提高，但是W含量過高將會在晶界形成 Laves相(Cr，Fe)2W，從而在缺口衝擊試驗時成為裂紋源。本申請選取的W含量為1.45%
1.6%，既保證了合金具有較好的高溫強度，又不形成易引起脆性斷裂的Laves相。鉭、釩Ta與C、N等形成碳氮化物，在固溶處理時釘扎奧氏體晶界，從而起到細化晶粒的效果，但是過高的Ta含量一方面會形成太多的碳化物引起脆性斷裂，另一方面會因為吸收了太多的C而不能保證合金在形成馬氏體時所需的C含量。因此本申請選取Ta的含量為0.08% 0. 12%, Ta的優選範圍為0.09% 0. 11%。同時為了更好的細化晶粒， 加入了 0. M% 0.沘％的V。氮現有技術的鋼種在經高溫長時熱時效後性能即發生較大的惡化，從而影響材料的安全使用，其原因為長時間運行後材料的微觀組織發生了變化，出現了馬氏體板條的粗化以及碳化物的長大等。現有技術的鋼種在經合適的熱處理(固溶處理+回火處理)後微觀組織為板條狀馬氏體，其微觀組織及碳化物類型分析結果見圖6和圖7。圖6為不含氮的低活性鐵素體/馬氏體鋼的透射電鏡觀察圖片，其中上面的箭頭所指位置表示M23C6(M 表示i^e，Cr，W)型碳化物，下面的箭頭所指表示MC型碳化物(M表示Ta，V)。圖7為對該鋼中的碳化物進行萃取後進行的χ射線衍射分析。由圖可以得出在晶界和板條界析出M23C6(M 表示Fe，Cr，W)型碳化物，在板條內主要細小彌散分布的MC型碳化物(M表示Ta，V)。本申請的鋼種含有一定質量分數的氮，氮原子以間隙原子形式處於晶格中，氮含量的增加導致間隙原子的增多，相變過程中位錯釘扎作用越大，造成大量的位錯。在熱處理條件下，當氮含量超過0.025% (質量百分數)時，Ta、V等元素與氮、碳元素結合在基體上以更為穩定的碳氮化物形式析出。本申請的鋼種在經合適的熱處理(固溶處理+回火處理) 後微觀組織也為板條狀馬氏體，其微觀組織及碳化物類型分析結果見圖8和圖9。圖8為含氮量為0. 025%的低活性鐵素體/馬氏體鋼的透射電鏡觀察圖片，右側箭頭所指位置表示 M23C6(M表示狗，Cr，W)型碳化物，左側箭頭所指位置表示MN型氮化物(M表示Ta，V)；圖 9為對該鋼中的碳化物進行萃取後進行的χ射線衍射分析結果。由圖可以得出在晶界和板條界也析出M23C6(M表示狗，Cr, W)型碳化物，但是在板條內則是細小彌散分布的氮化物 MN(M表示Ta，V)。氮化物比碳化物更加穩定，在高溫長期運行狀態下不易長大。而且對該鋼起到析出強化的作用，從而提高鋼的強度，還可提高鋼的低溫韌性和組織穩定性，能夠提高包層的使用壽命。但是，研究表明當含氮量超出0.05% (質量百分數)時，會影響材料的塑性和韌性，而且會導致殘留奧氏體的產生。氮對本申請的低活性鐵素體/馬氏體鋼起到析出強化的作用，從而提高鋼的強度，還可提高鋼的低溫韌性和組織穩定性。但是當氮含量過高，會影響材料的塑性，使鋼變脆，因此本申請選取氮的質量分數為0. 025% 0. 050%，優選0. 03% 0. 045%。為了進一步對本發明進行說明，申請人作了相關實驗並對每組實驗進行了室溫拉伸實驗，實驗數據如下
權利要求
1.一種低活性鐵素體/馬氏體鋼，其特徵在於按照質量百分比計算其各個成分及含量如下鉻8. 3% 8. 7%;鎢1. 45% 1. 6%;錳0. 35% 0. 60%;鉭0. 08% 0. 12%； 0. 09% 0. 11% ；釩0. 24% 0. 28% ；碳0. 10% 0. 12% ；氮0. 025% 0. 050% ；餘量金屬鐵。
2.如權利要求1所述的一種低活性鐵素體/馬氏體鋼，其特徵在於按照質量百分比計算其各個成分及含量如下鉻8. 3% 8. 7%;鎢1. 45% 1. 6%;錳0. 0. 60%; 鉭0. 09% 0. 11% ；釩0. 24% 0. 28% ；碳0. 10% 0. 12% ；氮0. 03% 0. 045% ；餘量金屬鐵。
3.如權利要求1或2所述的一種低活性鐵素體/馬氏體鋼，其特徵在於按照質量百分比計算其各個成分及含量如下鉻8. 5% ；鎢1. 55% ；錳0. 50% ；鉭0. 10% ；釩0. 24% ； 碳0. 10% ；氮0. 03% ；餘量金屬鐵。
4.如權利要求1或2所述的一種低活性鐵素體/馬氏體鋼，其特徵在於按照質量百分比計算其各個成分及含量如下鉻8. 3% ；鎢1. 6% ；錳0. 45% ；鉭0. 09% ；釩0. 27% ； 碳0. 11% ；氮0. 035% ；餘量金屬鐵。
5.如權利要求1或2所述的一種低活性鐵素體/馬氏體鋼，其特徵在於按照質量百分比計算其各個成分及含量如下鉻8. 7% ；鎢1. 45% M 0. 60% ；鉭0. 11% ；釩0. 25% ； 碳0. 11% ；氮0. 045% ；餘量金屬鐵。
全文摘要
本發明屬於馬氏體鋼，具體涉及一種聚變堆用低活性鐵素體/馬氏體鋼。一種低活性鐵素體/馬氏體鋼，按照質量百分比計算其各個成分及含量如下鉻8.3％～8.7％；鎢1.45％～1.6％；錳0.35％～0.60％；鉭0.09％～0.11％；釩0.24％～0.28％；碳0.10％～0.12％；氮0.025％～0.051％；餘量金屬鐵。本發明的優點是用本申請所列組份含量所製造的低活性鐵素體/馬氏體鋼在抗拉強度、屈服強度、延伸率方面完全滿足要求，同時滿足聚變堆的低活性要求。
文檔編號C22C38/26GK102534394SQ201010603460
公開日2012年7月4日 申請日期2010年12月23日 優先權日2010年12月23日
發明者王平懷, 許增裕, 諶繼明 申請人:核工業西南物理研究院