CN102628142B - 一种低活化核聚变用钢的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于金属材料领域，涉及核电用钢及其制备方法，提供了一种低活化核聚变用钢及其制备方法。该种低活化核聚变用钢的成分质量百分比为：C0.05~0.1，Si0.2~0.25，Mn0.4~0.8，P<0.008，S<0.002，N0.01~0.04，Cr8.5~9.5，Ti0.01~0.02，V0.1~0.3，Zr0.04~0.06，W1.1~2.5，余量为Fe和微量杂质。本发明的核聚变用钢通过添加适量的合金元素，不仅强度和塑性满足设计要求，而且由于采用低活化材料的设计理念，钢中合金元素在中子辐照后转变的感生放射性核素半衰期较短，方便反应堆构件的维修、核废料的处理以及回收再利用。

Description

一种低活化核聚变用钢的制备方法

技术领域

本发明属于金属材料领域，涉及核电用钢及其制备方法，提供了一种低活化核聚变用钢及其制备方法。 

背景技术

能源是社会经济发展的物质基础，随着社会的发展和人类文明的进步，人类对能源的需求也越来越大。传统的煤炭和石油等化石能源，由于其形成周期很长以及储量有限，已经满足不了人类对能源不断增长的需求。核能在经过半个多世纪的研究后，现在已经大规模的应用于发电，对缓解局部地区能源危机起到了一定的作用。目前的核反应堆都是裂变反应堆，虽然在技术上不存在太大的问题，但是重元素的裂变，将给人类留下较多的放射性废物；而且裂变反应堆采用铀等作为核燃料，由于铀在自然界的储量非常有限，在经过一段时间的开采后会枯竭，到那个时候同样要面对能源危机的现实。 

核聚变反应堆是解决未来能源问题的一种非常有效的方法，但是，核聚变反应堆的内部环境对所使用材料的要求非常苛刻，必须具有耐高温、抗辐照、耐腐蚀等性能，同时还要有较高的力学性能。 

发明内容

本发明的目的是设计一种成本低、工艺简单、具有高强度和塑性的低活化核聚变用钢，并适用于大规模生产。 

一种低活化核聚变用钢，化学成分质量百分比如下： 

C 0.05~0.1；Si 0.2~0.25；Mn 0.4~0.8；P<0.008；S<0.002；N 0.01~0.04；Cr 8.5~9.5；Ti 0.01~0.02；V 0.1~0.3；Zr 0.04~0.06；W 1.1~2.5；余量为Fe和微量杂质。

生产低活化核聚变用钢的制备方法，包括如下步骤： 

1)      按上述成分冶炼，之后锻打成80×80×80mm的方坯。

2)      钢坯加热至1100～1250℃之间，保温1～2小时。 

3)      奥氏体再结晶区轧制：轧制温度保证在950～1200℃之间，道次变形量>30%。 

4)      奥氏体未再结晶区轧制：轧制温度保证在900～950℃之间，总变形量>40%。 

5)      冷却制度：轧制完成后喷水冷却至500～600℃的范围内，冷却速度在10～30℃/s，之后空冷至室温。 

6)      热处理制度：将控轧控冷得到的钢加热到980℃保温0.5～1小时，然后淬火至室温，冷却速度在20～30℃/s范围内；之后将淬火钢加热到760℃回火，保温1～2小时，然后空冷至室温。 

本发明的低活化核聚变用钢的主要合金元素的作用机理如下： 

本发明中的C含量为0.05~0.1%，本身有固溶强化作用，另外主要是形成碳化物，以提高合金的高温强度，同时提高合金的硬度。随着钢中碳含量增加，屈服强度和抗拉强度升高，但塑性和冲击韧性降低，当碳含量超过0.23%时，钢的焊接性能变坏，因此用于焊接的低合金结构钢，碳含量一般不超过0.20%。为了使低活化核聚变用钢获得更好的焊接性能，需降低钢中的碳含量。碳含量的降低所带来的钢的强度的下降，则需用其它方法来弥补。 

本发明的Mn含量为0.4~0.8%，由于本发明中的碳含量较低，所以通过提高锰含量来保证高强度，随着锰含量的增加，强度增加。但锰含量又不能过高，因为锰含量太高会影响钢的焊接性能。 

本发明中的P<0.008%，S<0.002%，含量极低，是因为P和S在钢中都是影响性能的有害元素。P会导致铸坯成分偏析，影响钢板组织的均匀性；S在钢中以硫化物的形态存在，对钢板的冲击韧性是十分不利的，并造成各向异性和增大氢致开裂敏感性。为了保证低活化核聚变用钢能具有较高的纯净度和均匀性，从而得到良好的高强韧性，必须降低P和S的含量。 

本发明的Cr含量为8.5~9.5%，铬是中等碳化物形成元素，加热时溶入奥氏体的Cr能提高钢的淬透性。另外，铬含量是强烈影响钢的韧脆转变温度的主要因素，Cr含量为8.5~9.5%能获得较低的DBTT温度。 

本发明的V含量为0.1~0.3%，钒是强碳化物形成元素，形成的VC质点稳定性好，质点细小，不易长大，且弥散分布，对晶界起很强的钉扎作用，能有效提高钢的热强性，特别是在500℃以上的高温，V能明显提高合金的高温强度。 

本发明的Zr含量为0.04~0.06%，锆是强碳化物形成元素，它在钢中的作用与铌、钛、钒相似。加入少量的锆元素有脱气和净化晶粒作用，有利于改善钢的性能。 

本发明的W含量为1.1~2.5%，钨推迟珠光体转变，能有效地提高钢的淬透性。钨能有效地抑制钢中有害杂质的偏聚，是消除或减轻钢高温回火脆性的有效元素；钨是强碳化物形成元素，降低钢中C的活度，且其碳化物稳定不易长大，所以能细化晶粒，提高钢的回火稳定性。钨元素能提高固溶体原子间的结合力，所以能提高钢的热强性。 

本发明的低活化核聚变用钢不仅强度和塑性满足设计要求，而且由于采用低活化材料的设计理念，钢中合金元素在中子辐照后转变的感生放射性核素半衰期较短，方便反应堆构件的维修、核废料的处理以及回收再用。 

本发明中未加入微合金Nb和Mo，这是因为虽然铌能产生显著的晶粒细化及强化作用，并可改善低温韧性，钼可以提高淬透性和热强性，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力，但是铌和钼在中子辐照后生成的感生放射性核素的半衰期为几万年和几千年，所以本发明的低活化核聚变用钢中未加入该两种合金。 

本发明的应用效果：（1）本发明作为低活化核聚变用钢，该钢被广泛推荐作为未来聚变堆的包层结构材料。（2）成分采用了低碳、低磷和低硫控制，钢板中磷的含量确保在0.008%以下，硫的含量确保在0.002%以下，从而得到洁净的低活化核聚变用钢，钢板的性能均匀稳定。（3）本发明通过成分设计和工艺优化两种途径，开发出了一种低活化核聚变用钢，室温力学性能满足：屈服强度>460MPa，抗拉强度>600MPa，延伸率>16%，断面收缩率>70%；600℃的高温力学性能满足：屈服强度>250MPa，抗拉强度>300MPa，延伸率>16%，断面收缩率>75%，满足了低活化核聚变用钢的设计要求。 

具体实施方式

实施例的化学成分（wt%）如表1。 

表1 实施例的化学成分（wt%）

	C	Si	Mn	P	S	N	Cr	Ti	V	Zr	W
												1	0.1	0.2	0.69	0.003	0.001	0.04	9	0.01	0.1	0.04	1.5
2	0.08	0.22	0.59	0.003	0.001	0.03	8.7	0.01	0.15	0.06	1.7
												3	0.05	0.23	0.7	0.004	0.001	0.026	8.76	0.02	0.14	0.05	2
4	0.09	0.24	0.65	0.003	0.001	0.03	8.8	0.01	0.13	0.04	2.3
												5	0.1	0.22	0.6	0.004	0.001	0.025	8.9	0.01	0.15	0.06	1.8

具体轧制工艺如表2。

表2 实施例的轧制工艺

工艺参数	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	实施例5
						板坯加热温度℃	1200	1200	1200	1200	1200
粗轧终轧温度℃	960	970	980	955	965
						精轧终轧温度℃	910	905	900	906	901
水冷终止温度℃	550	540	560	550	550
						冷却速度℃/s	13	15	15	14	15

实施例的力学性能如表3。

表3 实施例的力学性能

Claims (1)

1. 一种低活化核聚变用钢的制备方法，其特征是包括如下步骤：

按照化学成分质量百分比如下：

C 0.05~0.1；Si 0.2~0.25；Mn 0.4~0.8；P<0.008；S<0.002；N 0.01~0.04；

Cr 8.5~9.5；Ti 0.01~0.02；V 0.1~0.3；Zr 0.04~0.06；W 1.1~2.5；余量为Fe和微量杂质的成分冶炼，之后锻打成80×80×80mm的方坯；

钢坯加热至1100～1250℃之间，保温1～2小时；

奥氏体再结晶区轧制：轧制温度保证在950～1200℃之间，道次变形量>30%；

奥氏体未再结晶区轧制：轧制温度保证在900～950℃之间，总变形量>40%；

冷却制度：轧制完成后喷水冷却至500～600℃的范围内，冷却速度在10～30℃/s，之后空冷至室温；

热处理制度：将控轧控冷得到的钢加热到980℃保温0.5～1小时，然后淬火至室温，冷却速度在20～30℃/s范围内；之后将淬火钢加热到760℃回火，保温1～2小时，然后空冷至室温。