專利名稱：一種用于聚變堆的低活化鋼結(jié)構(gòu)材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鋼結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域，具體涉及一種用于聚變堆的低活化鋼結(jié)構(gòu)材料，它尤其適用于聚變堆的第一壁或包層使用。與國內(nèi)外典型的低活化鋼相比，此鋼具有更優(yōu)的低活化特性和抗中子輻照組織性能穩(wěn)定性。
背景技術(shù)：
與奧氏體鋼相比，低活化鐵素體/馬氏體鋼(reduced activation ferritic/ martensitic steels，RAFM鋼，簡稱低活化鋼)在機(jī)械強(qiáng)度、抗輻照腫脹和抗高溫氦脆等性能方面更具優(yōu)勢，而且在耐液態(tài)金屬腐蝕、熱導(dǎo)性能、抗蠕變和疲勞性能都遠(yuǎn)優(yōu)于316不銹鋼。從廢物管理的角度看，低活化鋼的優(yōu)點(diǎn)是更容易調(diào)整成分，如少量不希望有的元素Mo、 Ni和Nb可用W、V、Ta替代，可成為低放射活性的材料。除此之外，低活化鋼適于商業(yè)化生產(chǎn)，不需要大規(guī)模工業(yè)性投資，具有成熟先進(jìn)的技術(shù)基礎(chǔ)，所以目前普遍認(rèn)可將低活化鋼作為未來聚變示范堆和第一座聚變動(dòng)力堆第一壁或包層首選結(jié)構(gòu)材料。目前，典型的低活化鋼有日本的F82H和JLF、歐洲的EUR0FER97、美國的9Cr2WVTa和中國的CLAM鋼等，這些鋼都是采取Cr-W-V-Ta合金化體系設(shè)計(jì)和真空感應(yīng)熔煉，合金化元素主要包括Cr、W、Mn、V、 Ta、C、N。添加微量的Ta大部分以固溶的形式存在鋼中，少部分以析出物TaC的形式存在其中。合金化設(shè)計(jì)不使用Mo、Ni、Nb、Co等元素以保證鋼具有低活性特性，同時(shí)，Ni、Co、Nb、 Mo、Pb、Sn、Sb、Bi等殘余元素的含量進(jìn)行控制至最低。Cr-W-V-Ta體系的低活化鋼最大的問題是中子輻照后微觀組織和力學(xué)性能變得很不穩(wěn)定，DBTT (韌脆轉(zhuǎn)變溫度)升高，并且隨著輻照劑量的增加，Δ DBTT (韌脆轉(zhuǎn)變溫度變化)也無法達(dá)到飽和，原因被認(rèn)為是大量固溶的Ta所致。中子輻照導(dǎo)致這種組織性能的惡化嚴(yán)重限制了低活化鋼的應(yīng)用，因此，有必要采用一種更好的微合金元素代替Ta，并提高該鋼的抗中子輻照組織性能穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于聚變堆的低活化鋼結(jié)構(gòu)材料，就是提出一種V、 Ti、N微合金化，即Cr-W-V-Ti-N體系的低活化鋼結(jié)構(gòu)材料，該低活化鋼結(jié)構(gòu)材料具有良好的顯微組織、室溫綜合機(jī)械性能、低活化特性以及抗中子輻照組織穩(wěn)定性。本發(fā)明提供的V、N、Ti微合金化的低活化鋼結(jié)構(gòu)材料，其特征在于該鋼的化學(xué)成分(重量百分比)為:C :0. 09 0. 11%，Si 0. 10 0. 30%, Mn 0. 40-0. 60%, V 0. 08 0. 30%，Cr :9. 0 9. 5%，W :2. 0 2. 5%，P 彡 0. 010%，S 彡 0. 005%，Ti :0. 01 0. 03%， N 0. 01 0. 05%, 0 彡 0. 005%，余量為 Fe。該鋼的化學(xué)成分(重量百分比)為:C:0. 10%, Si :0. 20%,Mn :0. 50%, V 0. 19%, Cr 9. 25%, W 2. 0%,P ^ 0. 010%, S 彡 0. 005%, Ti :0. 02%,N 0. 025%, 0 ^ 0. 005%,
余量為狗。鋼經(jīng)過熱機(jī)械加工完并空冷至室溫后，在2小時(shí)內(nèi)進(jìn)行退火處理，避免產(chǎn)生裂紋。退火工藝為400 600°C /4 6h/空冷。采取熱處理調(diào)整鋼的最終微觀組織，以改善鋼的綜合機(jī)械性能。熱處理工藝為 980 1070°C /0. 5h/ 水冷 +750 770V /2h/ 空冷。Ti比Ta具有更好的低活化特性，而且Ti比Ta在鋼中的溶解度更低，此外，V、Ti 的氮化物或碳氮化物分別比VC和TaC具有更高的析出溶解溫度，因此，選擇Ti代替Ta，并將合金化體系由Cr-W-V-Ta優(yōu)化為Cr-W-V-Ti-N有助于改善鋼的低活性特性并且提高其抗中子輻照組織性能穩(wěn)定性。本發(fā)明提供的V、N、Ti微合金化低活化鋼的成分是基于CLAM等典型低活鋼而優(yōu)化設(shè)計(jì)的，其中，不使用Mo、Ni、Nb、Co等元素以保證鋼具有低活性特性，同時(shí)，Ni、Co、Nb、Mo、 Pb.Sn.Sb.Bi等殘余元素的含量進(jìn)行控制至最低。鋼中含有9 9. 5% Cr (重量百分含量) 使其具有較低的輻照硬化水平和較優(yōu)的抗腐蝕能力，其中含有2 2. 5% W和微量的V、Ti 和N有利于提高其在中子輻照環(huán)境下組織性能的穩(wěn)定性，以及減小輻照過程中的ADBTT， 其中含有0. 40 0. 60wt% Mn以保證鋼最終能獲得全馬氏體組織，其中P和S的含量盡量降至最低有利于提高鋼的強(qiáng)韌性和獲得較低的DBTT，其中含有0. 09 0. llwt% C使鋼具有良好的抗輻照硬化水平和加工性能，其中含有0. 10 0. 30wt%的Si起固溶強(qiáng)化作用和提高抗腐蝕能力但不會(huì)損害韌性。與傳統(tǒng)的Cr-W-V-Ta系低活化鋼相比，本發(fā)明提供的Cr-W-V-Ti-N系低活化鋼具有接近的室溫綜合機(jī)械性能和微觀組織，而更優(yōu)的低活性、中子輻照組織性能穩(wěn)定性及高溫特性，更適合在聚變堆高溫溫度場、強(qiáng)中子場和強(qiáng)磁場的環(huán)境下服役，分析此鋼能夠滿足未來聚變堆第一壁/包層結(jié)構(gòu)材料的使用要求。


圖1為實(shí)例1所得到的低活化鋼結(jié)構(gòu)材料試樣的透射電鏡顯微組織圖；圖2為實(shí)例1所得到的低活化鋼結(jié)構(gòu)材料試樣的碳復(fù)型透射電鏡圖，其中析出物 A和B的分別識(shí)別為V和Ti的氮化物或者碳氮化物。
具體實(shí)施例方式下面通過借助實(shí)施例更加詳細(xì)地說明本發(fā)明，但以下實(shí)施例僅是說明性的，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不受這些實(shí)施例的限制。實(shí)例1 一種含V、Ti、N微合金化的低活化鋼結(jié)構(gòu)材料，該鋼的化學(xué)成分(重量百分比) 為 C 0. 092%, Si 0. 29%, Mn 0. 41%, V 0. 081%, Cr 9. 1%, W 2. 48%, P 0. 0056%, S 0. 002%, Ti 0. 011%, N :0. 015%, 0 :0. 0038%，余量為 Fe。將純金屬鐵、鎢、釩和鈦等原材料采取真空感應(yīng)熔煉+氬氣保護(hù)電渣重熔雙聯(lián)工藝制備上述鋼材料。電渣錠經(jīng)過熱機(jī)械加工完并空冷至室溫后，在0. 5小時(shí)內(nèi)進(jìn)行退火處理，避免產(chǎn)生裂紋。退火工藝為400°C/6h/空冷。采取熱處理調(diào)整鋼的最終微觀組織，以改善鋼的綜合力學(xué)性能。其最終熱處理工藝為980°C /0. 5hmin/水冷+750°C /2h/空冷。本發(fā)明設(shè)計(jì)制備的低活化鋼的顯微組織為全馬氏體，其中不含殘余奧氏體。鋼中夾雜物的類別為出1』0.^5，00.5，006，這表明此鋼的潔凈程度高。碳化物沿著馬氏體板條界以顆粒狀分散的形式析出，大量的網(wǎng)絡(luò)狀的位錯(cuò)線位于板條內(nèi)，這種亞穩(wěn)態(tài)組織保證了此鋼具有良好的強(qiáng)韌性組合(如圖1所示)。在服役環(huán)境下，此種亞穩(wěn)定的組織變化非常緩慢，在材料設(shè)計(jì)壽命內(nèi)，此種組織能夠滿足聚變堆應(yīng)用要求。鋼中析出V和Ti的碳化物/碳氮化物(分別為圖2中A和B)，其尺寸小于lOOnm，細(xì)小彌散的V和Ti的碳化物/碳氮化物不僅不會(huì)損害鋼的機(jī)械性能，而且還有助于改善鋼的強(qiáng)韌性，此外，也有助于提高其在中子輻照過程中的組織性能穩(wěn)定性。該鋼室溫拉伸強(qiáng)度大于650Mpa，屈服強(qiáng)度大于500Mpa， 斷面收縮率大于70%，延伸率大于22%，室溫沖擊功大于200J，DBTT低于-62°C。以上表明該鋼具有很好的強(qiáng)韌性，與國內(nèi)外典型的Cr-W-V-Ti-N系低活化鋼相比，此鋼在中子輻照環(huán)境下具有更優(yōu)異的組織性能穩(wěn)定性，預(yù)計(jì)此鋼能夠滿足材料在聚變堆服役環(huán)境下(溫度小于550°C )的使用要求。實(shí)例2:一種含V、N、Ti微合金化低活化鋼結(jié)構(gòu)材料，該鋼的化學(xué)成分(重量百分比)為 C 0. Oil %, Si 0. 12%, Mn :0. 58%, V 0. 26%, Cr :9. 45 %, W 2. 05 %, P :0. 0054%, S 0. 001%, Ti 0. 028%, N :0. 046%, O :0. 0048%，余量為 Fe。將純金屬鐵、鎢、釩和鈦等原材料采取真空感應(yīng)熔煉+氬氣保護(hù)電渣重熔雙聯(lián)工藝制備上述鋼材料。經(jīng)過熱機(jī)械加工完并空冷至室溫后，在1小時(shí)內(nèi)進(jìn)行退火處理，避免產(chǎn)生裂紋。退火工藝為600°C/4h/空冷。采取熱處理調(diào)整鋼的最終微觀組織，以改善鋼的綜合力學(xué)性能。其最終熱處理工藝為1070°C/0.5h/水冷+770°C/2h/空冷。得到上述成分的鋼結(jié)構(gòu)材料。本發(fā)明設(shè)計(jì)制備的低活化鋼的顯微組織與實(shí)例1中相同，該鋼室溫拉伸強(qiáng)度為大于620Mpa，屈服強(qiáng)度大于510Mpa，斷面收縮率大于72%，延伸率為大于20%，室溫沖擊功大于190J，DBTT小于-60°C。以上表明該鋼具有很好的強(qiáng)韌性，預(yù)計(jì)此鋼在中子輻照環(huán)境下具有優(yōu)異的組織性能穩(wěn)定性，此鋼能夠滿足材料在聚變堆服役環(huán)境下的使用要求。實(shí)例3 一種含V、N、Ti微合金化低活化鋼結(jié)構(gòu)材料，該鋼的化學(xué)成分(重量百分比) 為 C 0. 10%, Si 0. 20%, Mn 0. 5%, V 0. 019%, Cr 9. 25%, W 2. 25%, P 0. 0054%, S 0. 001%, Ti 0. 02%, N 0. 045%, O :0. 0036%，余量為 Fe。將純金屬鐵、鎢、釩和鈦等原材料采取真空感應(yīng)熔煉+氬氣保護(hù)電渣重熔雙聯(lián)工藝制備上述鋼材料。電渣錠經(jīng)過熱機(jī)械加工完并空冷至室溫后，在2小時(shí)內(nèi)進(jìn)行退火處理， 避免產(chǎn)生裂紋。退火工藝為500°C /5h/空冷。采取熱處理調(diào)整鋼的最終微觀組織，以改善鋼的綜合力學(xué)性能。其最終熱處理工藝為1030°C /0. 5hmin/水冷+760°C /2h/空冷。本發(fā)明設(shè)計(jì)制備的低活化鋼的顯微組織與實(shí)例1中相同，該鋼室溫拉伸強(qiáng)度為大于630Mpa，屈服強(qiáng)度大于500Mpa，斷面收縮率大于71 %，延伸率為大于21 %，室溫沖擊功大于200J，DBTT小于-60°C。以上表明該鋼具有很好的強(qiáng)韌性，預(yù)計(jì)此鋼在中子輻照環(huán)境下具有優(yōu)異的組織性能穩(wěn)定性，此鋼能夠滿足材料在聚變堆服役環(huán)境下的使用要求。本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于聚變堆的低活化鋼結(jié)構(gòu)材料，其特征在于，該材料的化學(xué)成分及重量百分比為C :0. 09 0. 11%, Si 0. 10 0. 30%,Mn 0. 40-0. 60%, V 0. 08 0. 30%,Cr :9. 0 9. 5%，W :2. 0 2. 5%，P ≤ 0. 010%，S ≤ 0. 005%，Ti :0. 01 0. 03%，N :0. 01 0. 05%， 0 ≤ 0. 005%，余量為 Fe。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于聚變堆的低活化鋼結(jié)構(gòu)材料，其特征在于，該材料的化學(xué)成分及重量百分比為:C :0. 10%, Si :0. 20%, Mn :0. 50%, V :0. 19%, Cr :9. 25%, W 2. 0%, P ≤ 0. 010%, S ≤ 0. 005%, Ti 0. 02%, N 0. 025%, 0 ≤ 0. 005%，余量為 Fe。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于聚變堆的低活化鋼結(jié)構(gòu)材料，其化學(xué)成分及重量百分比為C0.09～0.11％，Si0.10～0.30％，Mn0.40-0.60％，V0.08～0.30％，Cr9.0～9.5％，W2.0～2.5％，P≤0.010％，S≤0.005％，Ti0.01～0.03％，N0.01～0.05％，O≤0.005％，余量為Fe。與Cr-W-V-Ta系低活化鋼相比，本發(fā)明提供的Cr-W-V-Ti-N系低活化鋼具有接近的室溫綜合機(jī)械性能和微觀組織，而更優(yōu)的低活性、中子輻照組織性能穩(wěn)定性及高溫特性，更適合在聚變堆高溫溫度場、強(qiáng)中子場和強(qiáng)磁場的環(huán)境下服役，分析該低活化鋼結(jié)構(gòu)材料能夠滿足未來聚變堆第一壁/包層結(jié)構(gòu)材料的使用要求。
文檔編號(hào)C22C38/28GK102560257SQ20121005349
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2012年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月2日
發(fā)明者姚軍, 楊峰, 熊雪松, 索進(jìn)平, 鄒星榮 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)