專利名稱：奧氏體不銹鋼中輻照加速應(yīng)力腐蝕開裂的抑制處理的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在強(qiáng)輻照環(huán)境中(如在核裂變反應(yīng)堆內(nèi)部)應(yīng)用的奧氏體不銹鋼和鎳-鉻合金。本發(fā)明與核反應(yīng)堆內(nèi)部和周圍通常應(yīng)用的不銹鋼和其它合金的斷裂有關(guān)，這種斷裂主要由于受到高水平輻照導(dǎo)致出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂。
高鉻-鎳型不銹鋼合金，由于其眾所周知的高耐腐蝕性和高耐其他腐蝕條件的性質(zhì)，通常用作核裂變反應(yīng)堆中的構(gòu)件。例如，核燃料組件、中子吸收控制裝置和中子源夾具等常常被包覆或被置于304型或類似合金成分的不銹鋼包殼或屏蔽套中。這類組件(包括指出的那些)常常被放在核反應(yīng)堆的裂變?nèi)剂系男倔w內(nèi)部和周圍，在此區(qū)域極強(qiáng)的腐蝕條件(如強(qiáng)輻照和高溫)最為惡劣和具破壞性。
普遍認(rèn)為固溶或軋制退火的(Solutionormillannealed)不銹鋼合金商品，對其他損壞源造成的晶粒間應(yīng)力腐蝕開裂和本身破壞，基本上是不敏感的。然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)不銹鋼在受到強(qiáng)輻照之后，例如最典型的是在水冷卻核裂變反應(yīng)堆的裂變?nèi)剂闲倔w中和其附近使用時(shí)，由于晶粒間應(yīng)力腐蝕開裂而碎裂和破壞。雖然不銹鋼合金已經(jīng)處在所謂的固溶或軋制退火狀態(tài)，也就是說已經(jīng)過熱處理，即加熱至溫度在約1，850°F至2，050°F范圍內(nèi)，然后迅速冷卻以使碳化物溶解，并防止碳化物自溶液進(jìn)入晶粒邊界成核和沉淀析出，但是仍然發(fā)生了這種與輻照有關(guān)的晶粒間應(yīng)力腐蝕開裂破壞。
一種理論認(rèn)為，由強(qiáng)場或廣泛暴露，或兩者兼有而導(dǎo)致的高水平輻照是引起不銹鋼合金碎裂的一個(gè)重要原因，除了其他可能的因素外，這是由于輻照促進(jìn)了合金的雜質(zhì)成分的偏析所致。
過去為減少不銹鋼合金中與輻照有關(guān)的晶間應(yīng)力腐蝕開裂的努力，包括研制耐蝕合金組合物。例如，已經(jīng)提出含有低水平雜質(zhì)的不銹鋼。
本發(fā)明包括一種處理高鉻-鎳型及其類似合金的奧氏體不銹鋼合金組合物和由其構(gòu)成的零件和裝置的方法，此方法可抑制由于高水平的和/或長時(shí)間的輻照暴露導(dǎo)致的將來可能發(fā)生的應(yīng)力腐蝕開裂。本預(yù)防性處理包括一種精密的熱處理過程，或強(qiáng)化的固溶退火步驟，這種處理可使這類合金即使受到強(qiáng)輻照也具有高度的抗應(yīng)力腐蝕開裂的性能。
本發(fā)明的主要目的，是提供一種抑制奧氏體不銹鋼中，其他高鎳-鉻合金中，以及由其構(gòu)成的部件中，由于受到輻照而發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的方法。
本發(fā)明的又一目的，是提供一種在經(jīng)受強(qiáng)輻照的奧氏體不銹鋼合金以及由其制造的制品中，賦予抗輻照加速應(yīng)力腐蝕開裂的性能的有效和可行的處理方法。
本發(fā)明的再一個(gè)目的，是提供一種抑制用于核反應(yīng)堆的奧氏體不銹鋼構(gòu)件和經(jīng)受高輻照的其他不銹鋼制造的部件，由于應(yīng)力腐蝕開裂而斷裂的經(jīng)濟(jì)和實(shí)用的方法。
本發(fā)明的另外一個(gè)目的，是提供一種解決奧氏體不銹鋼合金中輻照后發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂問題的有效方法，此方法對這些合金或它們的制品不會產(chǎn)生任何有害的作用。


圖1曲線表示不銹鋼的應(yīng)力腐蝕敏感度與熱處理不同水平的溫度以及對應(yīng)時(shí)間之間的關(guān)系;
圖2是一種條線圖，它表示經(jīng)本發(fā)明熱處理的不銹鋼的相對延伸率;和圖3是一種條線圖，它表示受到本發(fā)明熱處理的不銹鋼在應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)中達(dá)到的相對最大應(yīng)力。
本發(fā)明主要與由(或包括)奧氏體不銹鋼(例如304型)制造的結(jié)構(gòu)單元和部件，或它們的組合件有關(guān)，這些構(gòu)件，部件或組合件設(shè)計(jì)用在核裂變反應(yīng)堆的放射性環(huán)境中或用在其他與輻照有關(guān)的設(shè)備或環(huán)境中。本發(fā)明特別針對阻止在這種使用中的奧氏體不銹鋼(包括單相奧氏體不銹鋼)發(fā)生輻照加速碎裂的一種預(yù)防手段。
本發(fā)明進(jìn)而適用于奧氏體的、高鎳-鉻合金，其中含有約30%(重量)至約76%(重量)的鎳和約15%(重量)至約24%(重量)的較小量鉻，例如商品因科鎳鉻不銹鋼(Incoloy)和因科內(nèi)爾鎳合金(Inconel)系列產(chǎn)品。
本發(fā)明特別是針對包括商品純和高純度兩種304型鉻-鎳奧氏體不銹鋼，使其對于輻照造成的碎裂具有潛在的不敏感性。商品304型不銹鋼的技術(shù)規(guī)范在C.L.Mautell編輯的《工程材料手冊》(EngineeringMaterialsHandbook)一書1958年版5-12頁和第5-13頁的表5-4中有詳細(xì)說明。這種合金一般含有約18-20%(重量)的鉻和約8-14%(重量)的鎳，以及最大重量百分含量為0.08的碳、2.0的錳、1.0的硅和3.0的鉬，其余為鐵及某些少量無意義的雜質(zhì)。
組件，如燃料和吸收棒的包殼、中子源夾持器等，均包含有上述類型的奧氏體不銹鋼合金，并應(yīng)用于核裂變反應(yīng)堆的燃料芯體中，這些組件往往由于稱為“輻照加速的應(yīng)力腐蝕開裂”現(xiàn)象而斷裂。這種形式的碎裂是應(yīng)力腐蝕開裂的一種特殊形式，盡管不銹鋼合金已進(jìn)行了固溶或軋制退火，但它仍可發(fā)生。已經(jīng)過溫度1850°F至2050°F常規(guī)固溶或軋制退火的不銹鋼，在工業(yè)中被認(rèn)為可免于發(fā)生晶粒間應(yīng)力腐蝕開裂。然而，當(dāng)這樣處理過的不銹鋼合金受到高水平輻照時(shí)(如在核反應(yīng)堆的燃料芯體的內(nèi)部和周圍受到的典型輻照)，強(qiáng)輻照場在促使發(fā)生晶粒間應(yīng)力腐蝕開裂中起了某些復(fù)雜的作用。一種理論認(rèn)為，這種現(xiàn)象可能的機(jī)理或原因是輻照促進(jìn)了合金內(nèi)部的雜質(zhì)(如磷、硫、硅和氮)在晶粒邊界偏析。
本發(fā)明包括一種嚴(yán)格的溫度和保溫時(shí)間條件的預(yù)防性熱處理，它可以顯著地減少輻照對奧氏體不銹鋼合金通常表現(xiàn)出的不利影響或作用，以及減少輻照在促使這種合金發(fā)生晶粒間應(yīng)力腐蝕開裂的有害有作用。本發(fā)明的方法包括使奧氏體不銹鋼合金，經(jīng)過溫度為至少2050°F(1121℃)直至約2400°F(1316℃)、保溫時(shí)間至少1分鐘直至約45分鐘的特殊熱處理步驟。在此范圍內(nèi)的保溫時(shí)間應(yīng)與溫度近似成反比。例如，在有效實(shí)施本發(fā)明本發(fā)明的條件范圍內(nèi)，當(dāng)溫度在給定范圍的較低區(qū)域時(shí)，所用時(shí)間應(yīng)當(dāng)較長些;反之，當(dāng)溫度在給定范圍的較高區(qū)域時(shí)，所用時(shí)間應(yīng)以較短些為宜。
阻止發(fā)生輻照引致的應(yīng)力腐蝕開裂的本方法，最好是使奧氏體不銹鋼合金在溫度接近最佳范圍(2200°F至2400°F)內(nèi)保溫較短時(shí)間(約5分鐘至約20分鐘)。由實(shí)施例將會清楚地看到，為獲得有效的耐腐蝕性，在該溫度條件下可允許的保溫時(shí)間，對于商品純級的304型不銹鋼比高純級的同種合金，要普遍短一些。
本發(fā)明處理方法的特殊的溫度和時(shí)間條件，可有效地抑制輻照加速的應(yīng)力腐蝕開裂，以及起因于敏化作用的普通晶粒間應(yīng)力腐蝕開裂。本發(fā)明的固溶退火處理溫度/時(shí)間所產(chǎn)生的減輕應(yīng)力腐蝕開裂的作用，似應(yīng)是合金晶粒界面雜質(zhì)較有效的脫附的結(jié)果。
下述的評估試驗(yàn)可做為實(shí)施本發(fā)明的特定實(shí)例，以及說明本發(fā)明在減少奧氏體不銹鋼合金由于強(qiáng)輻照而發(fā)生晶粒間應(yīng)力腐蝕開裂方面有顯著的抑制作用。
進(jìn)行應(yīng)力腐蝕評估的不銹鋼合金的成分如下
在制備不銹鋼合金評估用的試驗(yàn)樣品時(shí)，首先使樣品都經(jīng)過固溶退火熱處理(如下文的詳細(xì)說明)，其條件包括本發(fā)明范圍內(nèi)的和以外的，之后將所有樣品在核反應(yīng)堆中在溫度550°F下進(jìn)行輻照，使快中子積分通量范圍達(dá)到2.22×1021中子/厘米2至3.08×1021中子/厘米2(E＞1兆電子伏)。用掃描電子顯微鏡在輻照試驗(yàn)樣品的斷裂面上所觀察到的晶粒間應(yīng)力腐蝕程度，做為輻照加速應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象的計(jì)量。
試驗(yàn)樣品所用的熱處理的溫度和時(shí)間條件在下列表3中給出
試驗(yàn)樣品的應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)結(jié)果，對于熱處理的溫度及時(shí)間的關(guān)系在圖1曲線中給出。由圖1的數(shù)據(jù)可知，經(jīng)溫度2200°F約20分鐘、或溫度2300°F約5分鐘、或溫度2400°F約1分鐘的熱處理，商品純軋制退火的304型不銹鋼的輻照加速的應(yīng)力腐蝕開裂(以晶粒間應(yīng)力腐蝕開裂百分?jǐn)?shù)計(jì)量)可從約90%降至約0%。此外，高純度軋制退火的304型不銹鋼經(jīng)2200°F約45分鐘的熱處理，其輻照加速的應(yīng)力腐蝕開裂可由約50%降至約0%。
值得注意的是，對于有效熱處理存在有明顯的最大加熱時(shí)間，如圖1所示，例如對于商品純304型不銹鋼在2400°F加熱時(shí)間若比1分鐘長時(shí)，就不能完全消除輻照加速應(yīng)力腐蝕開裂。隨著加熱時(shí)間的增加，腐蝕開裂呈現(xiàn)顯著增加，因此對于商品純304型不銹鋼在2400°F時(shí)的近似最大加熱時(shí)間約為1分鐘。
本發(fā)明的固溶退火溫度和時(shí)間條件，在奧氏體不銹鋼中不僅可以消除輻照加速的應(yīng)力腐蝕開裂，而且還提高了這種合金在輻照時(shí)的機(jī)械性能。例如，圖2表明經(jīng)應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)的商品純304型不銹鋼，其延伸率的峰值范圍增長至13-16%，與之相比，對于軋制退火商品純304型不銹鋼約為0.6%，以上結(jié)果是兩者被輻照至相同的中子積分通量后獲得的。由溫度/時(shí)間固溶退火而獲得的增強(qiáng)的延展性，對于采用經(jīng)受輻照的不銹鋼組合件的設(shè)計(jì)人員來說，是非常有利的，因?yàn)楦鶕?jù)軋制退火不銹鋼輻照試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)人員目前普遍采用在溫度550°F和中子積分通量大于6×1020中子/厘米2時(shí)的延伸率下限是1.1%。與此類似，圖3表明，在應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)中達(dá)到的最大應(yīng)力(或抗拉強(qiáng)度極限)可增加至峰值范圍101-117千磅/吋2(ksi)，與之相比，對于輻照的商品純軋制退火304型不銹鋼為45ksi。
權(quán)利要求
1.抑制在含有高鎳和鉻的奧氏體合金中主要由于高強(qiáng)輻照而發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的一種方法，該方法是通過將大塊該合金在溫度范圍為至少2050°F內(nèi)保持至少1分鐘直至約45分鐘，該合金的熱處理時(shí)間與熱處理溫度近似成反比。
2.抑制在奧氏體不銹鋼中主要由于高強(qiáng)輻照而發(fā)生的應(yīng)力腐蝕開裂和提高其物理性能的一種方法，此方法包括單相奧氏體不銹鋼熱處理，將其大塊該不銹鋼在溫度范圍為至少2050°F直至2400°F內(nèi)保持至少1分鐘直至約45分鐘，此不銹鋼的熱處理時(shí)間與熱處理溫度近似成反比。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的在奧氏體不銹鋼中抑制應(yīng)力腐蝕開裂的方法，其中熱處理包括將大塊奧氏體不銹鋼在溫度在約2200°F至約2400°F范圍內(nèi)保持1分鐘至約20分鐘。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的在奧氏體不銹鋼中抑制應(yīng)力腐蝕開裂的方法，其中所述的奧氏體不銹鋼包括304型。
5.根據(jù)權(quán)利要求2的在奧氏體不銹鋼中抑制應(yīng)力腐蝕開裂的方法，其中所述的不銹鋼由近似的重量百分組成如下的一種合金構(gòu)成鉻18-20鎳8-14碳最大0.08錳最大2.0硅最大1.0鉬最大3.0鐵余量。
6.抑制奧氏體不銹鋼中主要由于高強(qiáng)輻照發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的一種方法，其中包括熱處理由近似重量百分組成如下的一種合金構(gòu)成的不銹鋼鉻18-20鎳8-14碳最大0.08錳最大2.0硅最大1.0鉬最大3.0鐵余量將大塊所述合金在溫度至少2050°F至約2400°F范圍內(nèi)保持至少約1分鐘至約45分鐘。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的抑制奧氏體不銹鋼中應(yīng)力腐蝕開裂的方法，其中包括將大量奧氏體不銹鋼在溫度約2200°F至2400°F范圍內(nèi)保持約1分鐘至約20分鐘。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的抑制奧氏體不銹鋼中應(yīng)力腐蝕開裂的方法，其中所述的不銹鋼包括304型。
9.根據(jù)權(quán)利要求6的抑制奧氏體不銹鋼中應(yīng)力腐蝕開裂的方法，其中所述的不銹鋼由近似重量百分組成如下的合金構(gòu)成鉻18-20鎳8-12碳最大0.08錳最大2.0硅最大1.0鐵余量。
10.根據(jù)權(quán)利要求6的抑制奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕開裂的方法，其中熱處理包括將大塊該單相奧氏體不銹鋼在溫度約2300°F下保持約1分鐘至約20分鐘。
11.抑制奧氏體不銹鋼中主要由于高強(qiáng)輻照而發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的一種方法，其中包括熱處理由近似重量百分組成如下的一種合金構(gòu)成的不銹鋼鉻18-20鎳8-12碳最大0.08錳最大2.0硅最大1.0鐵余量將大塊所述的合金在溫度約2200°F至約2400°F范圍內(nèi)保持約1分鐘至約20分鐘，此鋼材的熱處理時(shí)間與熱處理溫度范圍近似成反比。
12.抑制在單相奧氏體不銹鋼中主要由于高強(qiáng)輻照而發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的一種方法，此方法包括熱處理該單相奧氏體不銹鋼，將大塊該不銹鋼在溫度范圍至少2050°F直至約2400°F內(nèi)保持至少1分鐘直至約45分鐘，此鋼材熱處理時(shí)間與熱處理溫度近似成反比。
全文摘要
在不銹鋼以及鎳—鉻合金中抑制輻照加速應(yīng)力腐蝕開裂的一種熱處理方法。
文檔編號C21D6/00GK1038672SQ8910161
公開日1990年1月10日 申請日期1989年3月23日 優(yōu)先權(quán)日1988年6月13日
發(fā)明者阿爾溫·約瑟夫·雅各斯, 杰拉爾德·邁龍·戈登 申請人:通用電氣公司