一種耐熔鹽腐蝕鎳基變形高溫合金及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及適用于熔鹽反應(yīng)堆壓力容器以及熱交換器等零部件的材料，更具體地 涉及一種耐熔鹽腐蝕鎳基變形高溫合金及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著我國(guó)能源需求的激增，面臨的能源缺口問(wèn)題將會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重，干凈、安全、高 效率的先進(jìn)核能是解決我國(guó)能源問(wèn)題的最好方法，大力發(fā)展核能也是未來(lái)我國(guó)能源結(jié)構(gòu)調(diào) 整和優(yōu)化的重要方向。本世紀(jì)世界各國(guó)都在大力發(fā)展第四代核反應(yīng)堆。其中，熔鹽反應(yīng)堆 是第四代反應(yīng)堆中唯一的液體燃料反應(yīng)堆，在固有安全性、經(jīng)濟(jì)性、核資源可持續(xù)發(fā)展以及 防止核擴(kuò)散等方面具有其他反應(yīng)堆無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，受到世界各國(guó)的青睞。而作為制備熔 鹽反應(yīng)堆壓力容器和熱交換器的結(jié)構(gòu)材料，要求長(zhǎng)期在高溫、高壓、高輻射、高腐蝕等極端 條件下穩(wěn)定工作，是制約熔鹽反應(yīng)堆發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題之一。
[0003] 當(dāng)以氟化熔鹽作為反應(yīng)堆的冷卻劑時(shí)，堆出口溫度達(dá)到700°C，極大地提高反應(yīng)堆 的工作效率。在20世紀(jì)60年代，為滿足釷基熔鹽反應(yīng)堆需求，美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研發(fā) 了HastelloyN合金。該合金具有強(qiáng)度高、塑韌性好以及可加工性能好，對(duì)于中子輻射具有 較好的忍受能力，其高溫強(qiáng)度優(yōu)于鐵基合金，并且在熔融的氟化物中耐腐蝕能力強(qiáng)，被成功 應(yīng)用于反應(yīng)堆容器、回路管道、熔鹽栗、換熱器等部位。但是HastelloyN合金的最高許用 溫度為704°C，而近年來(lái)，隨著能源需求的多樣化，人們希望實(shí)現(xiàn)高溫制氫等高效率能源轉(zhuǎn) 換，這需要熔鹽堆運(yùn)行在800°C以上。HastelloyN合金已經(jīng)不能滿足要求，急需研發(fā)熔鹽 反應(yīng)堆用承溫能力更高的結(jié)構(gòu)材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的無(wú)法承受高于704°C的熔鹽腐蝕的問(wèn)題，本發(fā)明旨 在提供一種耐熔鹽腐蝕鎳基變形高溫合金及其制備方法。
[0005] 本發(fā)明提供一種耐熔鹽腐蝕鎳基變形高溫合金，其特征在于，按重量百分比計(jì)， 其化學(xué)成分為：5. 0-8. 0 % 的Cr，15. 0-28. 0 % 的W，0? 5-0. 55 % 的Fe，0? 5-0. 8 % 的Mn， 0? 1-0. 3%的Si，0. 05-0. 06%的C，〇-l. 0%的Mo,0-0. 2%的Ti，以及余量的Ni。本發(fā)明提 供的耐熔鹽腐蝕鎳基變形高溫合金，具有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能和組織穩(wěn)定性，同時(shí)耐高溫 熔鹽腐蝕，耐氧化以及抗輻照損傷，滿足熔鹽反應(yīng)堆對(duì)結(jié)構(gòu)材料的使用要求。
[0006] 該耐熔鹽腐蝕鎳基變形高溫合金的化學(xué)成分較佳為：6. 0-7. 0 %的Cr， 26. 0-28. 0% 的W，0. 5-0. 55% 的Fe，0. 5-0. 8% 的Mn，0. 1-0. 3% 的Si，0. 05-0. 06% 的C， 0-1.0%的Mo,0-0. 2%的Ti，以及余量的Ni。
[0007] 該耐熔鹽腐蝕鎳基變形高溫合金的化學(xué)成分優(yōu)選為：6. 0%的Cr，26%的W，0. 5% 的Fe，0.8%的Mn，0. 1%的Si，0.05%的C，1.0%的Mo,0. 2%的Ti，以及余量的Ni。
[0008] 該耐熔鹽腐蝕鎳基變形高溫合金不含A1。
[0009] 該耐熔鹽腐蝕鎳基變形高溫合金不含Co。
[0010] 該耐熔鹽腐蝕鎳基變形高溫合金不含Cu。
[0011] 本發(fā)明還提供一種上述耐熔鹽腐蝕鎳基變形高溫合金的制備方法，包括步驟：S1， 采用真空感應(yīng)爐澆鑄母合金；S2,均勻化處理；以及S3,熱加工。
[0012] 步驟S2的處理溫度在1200°C-1300°C之間。
[0013] 步驟S2的處理時(shí)間在15小時(shí)-25小時(shí)之間。
[0014] 步驟S3的加工溫度在900°C-1200°C之間。
[0015] 步驟S3的熱加工是鍛造、熱乳制或熱擠壓。
[0016] 本發(fā)明通過(guò)各合金元素的特定的合理配比確保了合金獲得良好綜合性能。與現(xiàn) 有合金相比，本發(fā)明的耐熔鹽腐蝕鎳基變形高溫合金具有的優(yōu)勢(shì)包括：優(yōu)良的可加工性能； 較高的高溫力學(xué)性能和組織穩(wěn)定性，其拉伸強(qiáng)度和持久壽命要明顯優(yōu)于HastelloyN合金； 具有優(yōu)異的抗熔鹽腐蝕性能，適用于熔鹽核反應(yīng)堆的高溫結(jié)構(gòu)材料，在800-850°C工作溫度 下表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能。
【附圖說(shuō)明】
[0017] 圖la是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例1的耐熔鹽腐蝕鎳基變形高溫合金的鑄態(tài)低倍組織 的形貌不意圖；
[0018] 圖lb是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例1的耐熔鹽腐蝕鎳基變形高溫合金的鑄態(tài)高倍組織 的形貌不意圖；
[0019] 圖lc是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例1的耐熔鹽腐蝕鎳基變形高溫合金的鍛態(tài)低倍組織 的形貌不意圖；
[0020] 圖2a是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例1的耐熔鹽腐蝕鎳基變形高溫合金經(jīng)800°C/400h熔 鹽腐蝕后的截面形貌示意圖；
[0021 ] 圖2b是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例1的耐熔鹽腐蝕鎳基變形高溫合金經(jīng)800°C/400h熔 鹽腐蝕后的截面Cr元素分布圖；
[0022] 圖2c是對(duì)比合金（HastelloyN)經(jīng)800°C/400h熔鹽腐蝕后的截面形貌示意圖；
[0023] 圖2d是對(duì)比合金（HastelloyN)經(jīng)800°C/400h熔鹽腐蝕后的截面Cr元素分布 圖；
[0024] 圖3a是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例1的耐熔鹽腐蝕鎳基變形高溫合金經(jīng)850°C/400h熔 鹽腐蝕后的截面形貌示意圖；
[0025] 圖3b是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例1的耐熔鹽腐蝕鎳基變形高溫合金經(jīng)850°C/400h熔 鹽腐蝕后的截面Cr元素分布圖；
[0026] 圖3c是對(duì)比合金（HastelloyN)經(jīng)850°C/400h恪鹽腐蝕后的截面形貌示意圖； 以及
[0027] 圖3d是對(duì)比合金（HastelloyN)經(jīng)850°C/400h熔鹽腐蝕后的截面Cr元素分布 圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028] 以下出現(xiàn)的％，除非特別說(shuō)明，均為重量百分比。
[0029] 根據(jù)以下制備方法提供本發(fā)明的耐熔鹽腐蝕鎳基變形高溫合金：
[0030] S1，采用真空感應(yīng)爐饒鑄母合金；
[0031] S2,均勻化處理；以及
[0032] S3,熱加工。
[0033] 與現(xiàn)有的合金的制備方法所不同的是：上述步驟S1中的母合金中含有Cr，W，F(xiàn)e， 皿11，31，(：，附，還可還有]\1〇，11，不含有41，0)，(：11。上述步驟32的溫度在1200°(：-1300°(：之 間，處理時(shí)間在15小時(shí)-25小時(shí)之間。上述步驟S3的溫度在900°C-1200°C之間，熱加工 是鍛造、熱乳制或熱擠壓。
[0034] 具體地，母合金和最終形成的耐熔鹽腐蝕鎳基變形高溫合金中的各合金元素的含 量?jī)?yōu)選為：
[0035] Cr的含量控制在5. 0-8. 0%之間，優(yōu)選控制在6. 0-7. 0%之間，最優(yōu)選為6. 0%。 在該范圍內(nèi)的Cr是有效改善在氧化性腐蝕介質(zhì)中的耐腐蝕性能的關(guān)鍵元素。如果Cr的含 量太大，將可能導(dǎo)致Cr元素大量地?cái)U(kuò)散入熔鹽中。另外，如果Cr的含量太大，其同時(shí)會(huì)與 C形成過(guò)度的碳化物，降低合金的組織穩(wěn)定性。
[0036] W的含量控制在15. 0-28. 0%之間，優(yōu)選在26. 0-28. 0%之間，最優(yōu)選為26. 0%。在 該范圍內(nèi)的W作為強(qiáng)固溶強(qiáng)化元素，主要起到強(qiáng)化Y基體的作用；同時(shí)，W在合金中的擴(kuò)散 速率較低，可以提高合金的蠕變強(qiáng)度；另外，W的擴(kuò)散速率僅為Mo的1/10左右，并且W的氟 化鹽的穩(wěn)定性要差于Mo、Fe等其他強(qiáng)化元素的氟化鹽，故W更耐氟化鹽的腐蝕。
[0037] Fe的含量控制在0. 5-0. 55%之間，特別優(yōu)選為0. 5%。在該范圍內(nèi)的Fe作為一種 基體元素溶入鎳中，可以改進(jìn)其他元素與基體的相容性。
[0038] Mn的含量控制在0. 5-0. 8%之間，特別優(yōu)選為0. 8% ;Si的含量控制在0. 1-0. 3% 之間，特別優(yōu)選為〇. 1% ;c的含量控制在0. 05-0. 06%之間，特別優(yōu)選為0. 05%。Mn，Si和 C都傾向于偏聚在晶界處，起強(qiáng)化晶界作用；同時(shí)C還能部分形成碳化物，分布在晶界，也能 強(qiáng)化晶界；而Si能夠提高晶界耐腐蝕性能，同時(shí)能夠提高碳化物的穩(wěn)定性。
[0039] Mo的含量控制在0-1. 0%之間，特別優(yōu)選為1. 0%。在該范圍內(nèi)的Mo作為一種強(qiáng) 固溶強(qiáng)化元素，能顯著提高合金的蠕變性能，同時(shí)改善在還原性介質(zhì)中的耐腐蝕性能。如果 Mo的含量太大，對(duì)合金的抗氧化性能也有不利影響。
[0040] Ti的含量控制在0-0. 2%之間，特別優(yōu)選為0. 2%。在該范圍內(nèi)的Ti作為一種碳 穩(wěn)定劑，能夠提尚晶間耐腐蝕性能。
[0041] A1是Y'相形成元素，熱處理過(guò)程中易于析出細(xì)小的Y'沉淀相。但由于Y'沉 淀相長(zhǎng)時(shí)間在高溫條件下會(huì)長(zhǎng)大失效，對(duì)合金性能不利，因此合金中不宜添加A1元素。應(yīng) 當(dāng)注意，雖然Ti也是一種Y'相形成元素，但由于其碳穩(wěn)定性而被加入到合金中。
[0042] Co作為固溶強(qiáng)化元素，能夠顯著提高合金的蠕變強(qiáng)度和塑性。但由于本合金應(yīng)用 于核反應(yīng)堆主容器等高中子輻照環(huán)境，Co受中子輻照之后會(huì)變?yōu)?0C〇, 一種長(zhǎng)半衰期的放 射性物質(zhì)，放出Y射線，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生長(zhǎng)期的危害，所以C