CN102560257B

CN102560257B - 一种用于聚变堆的低活化钢结构材料

Info

Publication number: CN102560257B
Application number: CN201210053495.5A
Authority: CN
Inventors: 索进平; 熊雪松; 杨峰; 邹星荣; 姚军
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2012-03-02
Filing date: 2012-03-02
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2032-03-02
Also published as: CN102560257A

Abstract

本发明公开了一种用于聚变堆的低活化钢结构材料，其化学成分及重量百分比为：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％，O：≤0.005％，余量为Fe。与Cr-W-V-Ta系低活化钢相比，本发明提供的Cr-W-V-Ti-N系低活化钢具有接近的室温综合机械性能和微观组织，而更优的低活性、中子辐照组织性能稳定性及高温特性，更适合在聚变堆高温温度场、强中子场和强磁场的环境下服役，分析该低活化钢结构材料能够满足未来聚变堆第一壁/包层结构材料的使用要求。

Description

一种用于聚变堆的低活化钢结构材料

技术领域

本发明属于钢结构材料领域，具体涉及一种用于聚变堆的低活化钢结构材料，它尤其适用于聚变堆的第一壁或包层使用。与国内外典型的低活化钢相比，此钢具有更优的低活化特性和抗中子辐照组织性能稳定性。

背景技术

与奥氏体钢相比，低活化铁素体/马氏体钢(reduced activationferritic/martensitic steels，RAFM钢，简称低活化钢)在机械强度、抗辐照肿胀和抗高温氦脆等性能方面更具优势，而且在耐液态金属腐蚀、热导性能、抗蠕变和疲劳性能都远优于316不锈钢。从废物管理的角度看，低活化钢的优点是更容易调整成分，如少量不希望有的元素Mo、Ni和Nb可用W、V、Ta替代，可成为低放射活性的材料。除此之外，低活化钢适于商业化生产，不需要大规模工业性投资，具有成熟先进的技术基础，所以目前普遍认可将低活化钢作为未来聚变示范堆和第一座聚变动力堆第一壁或包层首选结构材料。目前，典型的低活化钢有日本的F82H和JLF、欧洲的EUROFER97、美国的9Cr2WVTa和中国的CLAM钢等，这些钢都是采取Cr-W-V-Ta合金化体系设计和真空感应熔炼，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钢中，少部分以析出物TaC的形式存在其中。合金化设计不使用Mo、Ni、Nb、Co等元素以保证钢具有低活性特性，同时，Ni、Co、Nb、Mo、Pb、Sn、Sb、Bi等残余元素的含量进行控制至最低。

Cr-W-V-Ta体系的低活化钢最大的问题是中子辐照后微观组织和力学性能变得很不稳定，DBTT(韧脆转变温度)升高，并且随着辐照剂量的增加，ΔDBTT(韧脆转变温度变化)也无法达到饱和，原因被认为是大量固溶的Ta所致。中子辐照导致这种组织性能的恶化严重限制了低活化钢的应用，因此，有必要采用一种更好的微合金元素代替Ta，并提高该钢的抗中子辐照组织性能稳定性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于聚变堆的低活化钢结构材料，就是提出一种V、Ti、N微合金化，即Cr-W-V-Ti-N体系的低活化钢结构材料，该低活化钢结构材料具有良好的显微组织、室温综合机械性能、低活化特性以及抗中子辐照组织稳定性。

本发明提供的V、N、Ti微合金化的低活化钢结构材料，其特征在于：该钢的化学成分(重量百分比)为：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％，O：≤0.005％，余量为Fe。

该钢的化学成分(重量百分比)为：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％，O：≤0.005％，余量为Fe。

钢经过热机械加工完并空冷至室温后，在2小时内进行退火处理，避免产生裂纹。退火工艺为：400～600℃/4～6h/空冷。

采取热处理调整钢的最终微观组织，以改善钢的综合机械性能。热处理工艺为：980～1070℃/0.5h/水冷+750～770℃/2h/空冷。

Ti比Ta具有更好的低活化特性，而且Ti比Ta在钢中的溶解度更低，此外，V、Ti的氮化物或碳氮化物分别比VC和TaC具有更高的析出溶解温度，因此，选择Ti代替Ta，并将合金化体系由Cr-W-V-Ta优化为Cr-W-V-Ti-N有助于改善钢的低活性特性并且提高其抗中子辐照组织性能稳定性。

本发明提供的V、N、Ti微合金化低活化钢的成分是基于CLAM等典型低活钢而优化设计的，其中，不使用Mo、Ni、Nb、Co等元素以保证钢具有低活性特性，同时，Ni、Co、Nb、Mo、Pb、Sn、Sb、Bi等残余元素的含量进行控制至最低。钢中含有9～9.5％Cr(重量百分含量)使其具有较低的辐照硬化水平和较优的抗腐蚀能力，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辐照环境下组织性能的稳定性，以及减小辐照过程中的ΔDBTT，其中含有0.40～0.60wt％Mn以保证钢最终能获得全马氏体组织，其中P和S的含量尽量降至最低有利于提高钢的强韧性和获得较低的DBTT，其中含有0.09～0.11wt％C使钢具有良好的抗辐照硬化水平和加工性能，其中含有0.10～0.30wt％的Si起固溶强化作用和提高抗腐蚀能力但不会损害韧性。

与传统的Cr-W-V-Ta系低活化钢相比，本发明提供的Cr-W-V-Ti-N系低活化钢具有接近的室温综合机械性能和微观组织，而更优的低活性、中子辐照组织性能稳定性及高温特性，更适合在聚变堆高温温度场、强中子场和强磁场的环境下服役，分析此钢能够满足未来聚变堆第一壁/包层结构材料的使用要求。

附图说明

图1为实例1所得到的低活化钢结构材料试样的透射电镜显微组织图；

图2为实例1所得到的低活化钢结构材料试样的碳复型透射电镜图，其中析出物A和B的分别识别为V和Ti的氮化物或者碳氮化物。

具体实施方式

下面通过借助实施例更加详细地说明本发明，但以下实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。

实例1：

一种含V、Ti、N微合金化的低活化钢结构材料，该钢的化学成分(重量百分比)为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％，O：0.0038％，余量为Fe。

将纯金属铁、钨、钒和钛等原材料采取真空感应熔炼+氩气保护电渣重熔双联工艺制备上述钢材料。电渣锭经过热机械加工完并空冷至室温后，在0.5小时内进行退火处理，避免产生裂纹。退火工艺为：400℃/6h/空冷。采取热处理调整钢的最终微观组织，以改善钢的综合力学性能。其最终热处理工艺为：980℃/0.5hmin/水冷+750℃/2h/空冷。

本发明设计制备的低活化钢的显微组织为全马氏体，其中不含残余奥氏体。钢中夹杂物的类别为：B1，B0.5e，D0.5，D0e，这表明此钢的洁净程度高。碳化物沿着马氏体板条界以颗粒状分散的形式析出，大量的网络状的位错线位于板条内，这种亚稳态组织保证了此钢具有良好的强韧性组合(如图1所示)。在服役环境下，此种亚稳定的组织变化非常缓慢，在材料设计寿命内，此种组织能够满足聚变堆应用要求。钢中析出V和Ti的碳化物/碳氮化物(分别为图2中A和B)，其尺寸小于100nm，细小弥散的V和Ti的碳化物/碳氮化物不仅不会损害钢的机械性能，而且还有助于改善钢的强韧性，此外，也有助于提高其在中子辐照过程中的组织性能稳定性。该钢室温拉伸强度大于650Mpa，屈服强度大于500Mpa，断面收缩率大于70％，延伸率大于22％，室温冲击功大于200J，DBTT低于-62℃。以上表明该钢具有很好的强韧性，与国内外典型的Cr-W-V-Ti-N系低活化钢相比，此钢在中子辐照环境下具有更优异的组织性能稳定性，预计此钢能够满足材料在聚变堆服役环境下(温度小于550℃)的使用要求。

实例2：

一种含V、N、Ti微合金化低活化钢结构材料，该钢的化学成分(重量百分比)为C：0.011％，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％，余量为Fe。

将纯金属铁、钨、钒和钛等原材料采取真空感应熔炼+氩气保护电渣重熔双联工艺制备上述钢材料。经过热机械加工完并空冷至室温后，在1小时内进行退火处理，避免产生裂纹。退火工艺为：600℃/4h/空冷。采取热处理调整钢的最终微观组织，以改善钢的综合力学性能。其最终热处理工艺为：1070℃/0.5h/水冷+770℃/2h/空冷。得到上述成分的钢结构材料。

本发明设计制备的低活化钢的显微组织与实例1中相同，该钢室温拉伸强度为大于620Mpa，屈服强度大于510Mpa，断面收缩率大于72％，延伸率为大于20％，室温冲击功大于190J，DBTT小于-60℃。以上表明该钢具有很好的强韧性，预计此钢在中子辐照环境下具有优异的组织性能稳定性，此钢能够满足材料在聚变堆服役环境下的使用要求。

实例3：

一种含V、N、Ti微合金化低活化钢结构材料，该钢的化学成分(重量百分比)为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％，余量为Fe。

将纯金属铁、钨、钒和钛等原材料采取真空感应熔炼+氩气保护电渣重熔双联工艺制备上述钢材料。电渣锭经过热机械加工完并空冷至室温后，在2小时内进行退火处理，避免产生裂纹。退火工艺为：500℃/5h/空冷。采取热处理调整钢的最终微观组织，以改善钢的综合力学性能。其最终热处理工艺为：1030℃/0.5hmin/水冷+760℃/2h/空冷。

本发明设计制备的低活化钢的显微组织与实例1中相同，该钢室温拉伸强度为大于630Mpa，屈服强度大于500Mpa，断面收缩率大于71％，延伸率为大于21％，室温冲击功大于200J，DBTT小于-60℃。以上表明该钢具有很好的强韧性，预计此钢在中子辐照环境下具有优异的组织性能稳定性，此钢能够满足材料在聚变堆服役环境下的使用要求。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于聚变堆的低活化钢结构材料，其特征在于，该材料的化学成分及重量百分比为：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%，O:≤0.005%,余量为Fe；钢经过热机械加工完并空冷至室温后，在2小时内进行退火处理，避免产生裂纹，退火工艺为：400～600℃/4～6h/空冷；然后采取热处理调整钢的最终微观组织，以改善钢的综合机械性能；热处理工艺为：980～1070℃/0.5h/水冷+750～770℃/2h/空冷；

上述化学成分及重量百分比的材料为Cr-W-V-Ti-N系低活化钢，其中，0.09～0.11%的C使钢具有良好的抗辐照硬化水平和加工性能，0.10～0.30%的Si起固溶强化作用和提高抗腐蚀能力但不会损害韧性；0.40-0.60%的Mn以保证钢最终能获得全马氏体组织；9.0～9.5%的Cr用于使钢具有较低的辐照硬化水平和较优的抗腐蚀能力；P和S的含量尽量降至最低有利于提高钢的强韧性和获得较低的DBTT；微量的V、Ti和N用于提高其在中子辐照环境下组织性能的稳定性，以及减小辐照过程中的△DBTT。

2.根据权利要求1所述的用于聚变堆的低活化钢结构材料，其特征在于，该材料的化学成分及重量百分比为：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%，O:≤0.005%，余量为Fe。