一種氧化物彌散強(qiáng)化低活化鋼及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于抗輻照金屬材料領(lǐng)域，具體涉及一種用于聚變堆的氧化物彌散強(qiáng)化低 活化鋼，可抗強(qiáng)中子輻照，具有優(yōu)良的力學(xué)性能。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著世界能源危機(jī)的加劇，清潔能源將變成一種重要的戰(zhàn)略發(fā)展資源。其中，核能 發(fā)電過程中能夠?qū)崿F(xiàn)零污染排放，并且核燃料的能量密度較化石燃料高幾百萬倍，因此核 電將會(huì)為未來商業(yè)電站帶來巨額利潤。未來商用聚變裂變反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料的服役環(huán)境嚴(yán)苛 惡劣，這就對(duì)核反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料提出更高的性能要求。低活化鐵素體馬氏體鋼具有低活化 性能，高強(qiáng)度，良好的焊接制造性能和組織穩(wěn)定性，因而成為未來聚變堆的重要結(jié)構(gòu)候選材 料。然而，低活化鐵素體馬氏體鋼適用溫度范圍為350-550°C;當(dāng)服役溫度超過550°C時(shí)， 低活化鐵素體馬氏體鋼的組織迅速惡化，各項(xiàng)力學(xué)性能均有所下降。此外，盡管低活化鐵 素體馬氏體鋼具有低活化特性，但在高劑量中子輻照下，鋼中少量合金元素發(fā)生（n，a)反 應(yīng)，產(chǎn)生氦原子并逐漸聚集形成氦泡，從而使得低活化鐵素體馬氏體鋼韌性降低。上述低活 化鐵素體馬氏體鋼的弱點(diǎn)將限制未來聚變堆的發(fā)電效率，這表明提高低活化鐵素體馬氏體 鋼的抗輻照性能和適用溫度范圍變得更加重要。如若聚變堆結(jié)構(gòu)材料的使用溫度能夠提高 KKTC，那么聚變堆的發(fā)電效率將提高5 %，這將對(duì)商用聚變核反應(yīng)堆的經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生巨大 影響。
[0003] 為了進(jìn)一步提高聚變反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料的抗輻照性能和高溫力學(xué)性能，通常采用粉 末冶金方法制備氧化物彌散強(qiáng)化（0DS)低活化鋼。這種氧化物彌散強(qiáng)化鋼的適用溫度范圍 可達(dá)250-650°C，抗輻照腫脹能力較強(qiáng)。對(duì)于冶煉方法制備的低活化鋼和粉末冶金方法制備 的氧化物彌散強(qiáng)化低活化鋼而言，后者最大的優(yōu)點(diǎn)是高溫力學(xué)性能和穩(wěn)定性能較好。在高 溫下，惰性Y2〇3顆粒不會(huì)隨著溫度的升高而粗化或熔解，并且即使長時(shí)在高溫交變應(yīng)力環(huán) 境下服役時(shí)，惰性Υ2〇3顆粒仍然能夠穩(wěn)定的存在于基體中并且能夠釘扎位錯(cuò)，阻礙位錯(cuò)的 滑移，強(qiáng)化合金，從而提高材料的高溫力學(xué)性能和高溫穩(wěn)定性。鑒于上述氧化物彌散強(qiáng)化低 活化鋼的優(yōu)點(diǎn)，目前人們對(duì)于0DS低活化鋼的研究愈加感興趣。
[0004] 但是氧化物彌散強(qiáng)化低活化鋼的制備是一個(gè)國際難題。一方面是因?yàn)檠趸飶浬?強(qiáng)化低活化鋼無法通過正常的合金冶煉方法得到，另一方面是因?yàn)榉勰┮苯鸱椒ㄖ苽溲趸?物彌散強(qiáng)化鋼的工藝復(fù)雜，成本較高，且難以制備大型結(jié)構(gòu)件。若在冶煉過程中直接添加純 稀土金屬Υ，由于金屬元素Υ的化學(xué)性質(zhì)很活潑，會(huì)與氧氣或是其他金屬元素結(jié)合形成夾雜 物或是變成爐渣；而若直接添加γ203氧化物顆粒，γ203顆粒比重較小，多數(shù)γ203顆粒會(huì)浮在 表面與爐渣混在一起，少數(shù)γ203顆粒在基體中也會(huì)發(fā)生偏聚。稀土金屬Υ和γ203氧化物顆 粒的這些特點(diǎn)使得氧化物彌散強(qiáng)化低活化鋼的制備變得愈加困難。目前，歐美以及日本等 國很多研究團(tuán)隊(duì)采用將各種純金屬粉末進(jìn)行機(jī)械合金化方法制備氧化物彌散強(qiáng)化低活化 鋼，但是這種制備方法對(duì)純金屬粉末的純度要求很高，雜質(zhì)含量很難控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種適用于聚變堆的氧化物彌散強(qiáng)化低活化鋼及其制 備方法，所述氧化物彌散強(qiáng)化低活化馬氏體鋼的制備過程中嚴(yán)格控制氧含量和雜質(zhì)元 素含量，本發(fā)明的特點(diǎn)在于冶煉超純凈母合金，統(tǒng)一控制雜質(zhì)元素含量，并且采用粉末 包套抽氣，熱等靜壓固化成型，熱軋技術(shù)提高組織的致密度，進(jìn)而獲得組織均勻、氧化物 顆粒彌散分布的組織狀態(tài)，最終使得本發(fā)明所述氧化物彌散強(qiáng)化鋼不僅具備優(yōu)異的力學(xué) 性能，還具備低活化性能，良好的抗輻照腫脹能力。在現(xiàn)有技術(shù)中，專利文獻(xiàn)1(申請(qǐng)?zhí)?201010513441. 3)提供了與本發(fā)明相近的氧化物彌散強(qiáng)化合金的制備方法，但是兩者合金 體系不同（專利文獻(xiàn)1中合金體系為鈷基超合金，本發(fā)明中合金體系為低活化鋼），工藝流 程和參數(shù)不同。專利文獻(xiàn)1中未提到本發(fā)明中的特征，即對(duì)粉末包套進(jìn)行真空加熱抽氣和 熱軋?zhí)幚?，進(jìn)一步提高氧化物彌散強(qiáng)化鋼的致密度，從而提高其力學(xué)性能。同時(shí)，專利文獻(xiàn) 2(申請(qǐng)?zhí)?00810021329. 0)提到了與本發(fā)明相似的合金體系，但是專利文獻(xiàn)2未提到本發(fā) 明中的特征，即母合金冶煉技術(shù)、母合金粉末霧化技術(shù)以及粉末包套抽氣技術(shù)要求，此外， 在合金成分上存在一定的差異，本發(fā)明所述的氧化物彌散強(qiáng)化合金中未添加Ti元素。
[0006] 本發(fā)明提供的氧化物彌散強(qiáng)化低活化鋼的顯微組織均勻，力學(xué)性能優(yōu)異。本發(fā) 明在專利文獻(xiàn)1所述的鈷基超合金成分的基礎(chǔ)上，添加Ta、V等元素以及納米氧化釔Y203 顆粒來實(shí)現(xiàn)低活化特性；并采用Ta、V微合金化處理，提高其高溫力學(xué)性能和高溫組織 穩(wěn)定性；本發(fā)明在專利文獻(xiàn)1、2所述的氧化物彌散強(qiáng)化合金制備方法的基礎(chǔ)上，添加了 Fe-C-Cr-W-V-Ta-Mn母合金霧化技術(shù)要求，以便嚴(yán)格控制霧化粉末的粒徑和成分；添加了 粉末包套抽氣和熱等靜壓固化成型后熱軋?zhí)幚?，進(jìn)一步提高氧化彌散強(qiáng)化低活化鋼的致密 度，從而達(dá)到提高其力學(xué)性能的目的。
[0007] 本發(fā)明通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0008] 本發(fā)明具體提供了一種氧化物彌散強(qiáng)化低活化鋼，其特征為，該低活化鋼的合 金元素所占總質(zhì)量的百分比為：基體為Fe，0.08%彡C彡0· 15%，8.0%彡Cr彡10.0%， 1. 1%^W^ 1.55%,0. 1%^V^0. 3%,0. 03%^Ta^0. 2%,0.l^Mn^O. 6%,0. 05% <Y203 < 0. 5%，以及少量制造過程中不可避免混入的雜質(zhì)，嚴(yán)格控制經(jīng)中子輻照后能產(chǎn) 生放射性核素的易活化元素含量和雜質(zhì)元素含量：Ν〈0. 010%，Α1〈0. 010%，Ni〈0. 005%， Mo〈0. 005%，Nb〈0. 010%，Cu〈0. 010% ;P〈0. 005%，S〈0. 005%。
[0009] 本發(fā)明對(duì)聚變堆用結(jié)構(gòu)材料的機(jī)械性能和低活化特性等方面的考慮，所述的氧化 物彌散強(qiáng)化低活化鋼中的各元素的含量和作用也不相同。C元素可與Cr、V、Ta等合金元素 形成M23C6型碳化物或MX型碳氮化物，產(chǎn)生析出強(qiáng)化，使氧化物彌散強(qiáng)化低活化鋼獲得良好 高溫強(qiáng)度。Cr元素是氧化物彌散強(qiáng)化低活化鋼中提高抗氧化性能的主添加合金元素，高溫 條件下空氣腐蝕時(shí)，表面能生成致密Cr203氧化膜。W元素能夠抑制碳化物的粗化，提高氧 化物彌散強(qiáng)化低活化鋼的高溫蠕變性能，獲得優(yōu)異的高溫力學(xué)性能。V元素具有強(qiáng)烈的固碳 作用，減緩碳化物的粗化，此外V在基體中生成納米級(jí)碳氮化物，可有效控制位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，提 高氧化物彌散強(qiáng)化低活化鋼的高溫蠕變性能。Ta元素能與碳、氮結(jié)合生成MX型納米級(jí)碳 氮化物，能有效的釘扎位錯(cuò)。納米級(jí)Y2〇3顆粒是人為加入的惰性質(zhì)點(diǎn)，當(dāng)氧化物彌散強(qiáng)化低 活化鋼經(jīng)受高劑量中子輻照時(shí)，能夠作為（η，α)核反應(yīng)產(chǎn)物氦原子的陷阱，阻止輻照腫脹 和氦泡長大；此外，高溫下，Υ2〇3顆粒較為穩(wěn)定，不發(fā)生粗化和溶解，能夠有效地阻礙位錯(cuò)運(yùn) 動(dòng)。W、V、Ta元素可使氧化物彌散強(qiáng)化低活化鋼具備低活化性能；同時(shí)W、V、Ta元素能夠固 溶于基體，并且與C原子結(jié)合生成細(xì)小碳化物，起到釘扎位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的作用，提高氧化物彌散 強(qiáng)化低活化鋼的高溫力學(xué)性能，從而滿足聚變堆結(jié)構(gòu)材料的使用要求。Μη元素提高氧化物 彌散強(qiáng)化低活化鋼的強(qiáng)度和硬度，可顯著降低鋼的Acl溫度和馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度，抑制 δ鐵素體的形成。此外，對(duì)于雜質(zhì)元素，P元素易在晶界處偏聚，S元素易與Μη形成MnS夾 雜，從而降低氧化物彌散強(qiáng)化低活化鋼的塑韌性。
[0010] 本發(fā)明還提供了所述氧化物彌散強(qiáng)化低活化鋼的制備方法，其特征為，所述氧化 物彌散強(qiáng)化低活化鋼的制備過程包括Fe-C-Cr