CN102851610A

CN102851610A - 一种改进型结构材料马氏体耐热钢及其制备方法

Info

Publication number: CN102851610A
Application number: CN2012102641716A
Authority: CN
Inventors: 刘少军; 黄群英; 夏志新; 李春京; 吴宜灿
Original assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Current assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Priority date: 2012-07-27
Filing date: 2012-07-27
Publication date: 2013-01-02
Anticipated expiration: 2032-07-27
Also published as: CN102851610B

Abstract

一种改进型结构材料马氏体钢及其制备方法，基体为Fe元素，其中含有C 0.05~0.15%，Mn 0.30~0.60%，Si 0.20~0.50%，Cr 8.0~9.5%，Mo 0.85~1.05%，V 0.18~0.25%，Ta+Nb 0.05~0.30%，N 0.003~0.07%，高温性能和抗腐蚀性能优异，同时抗强中子辐照。该结构钢配方采用微合金元素Ta部分或全部替代T/P91中的Nb，对MX型析出相进行了细化，提高其热稳定性能，从而进一步改善了材料的高温性能并提高了其高温服役时的安全可靠性，适合在ADS反应堆及其它先进反应堆下使用，同时也可以在其它高温环境下使用。

Description

一种改进型结构材料马氏体耐热钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种结构材料马氏体耐热钢及其制备方法，具有很好的耐高温强度（蠕变和热疲劳）、抗腐蚀性和抗氧化性，同时可抗强中子辐照。它适用于ADS反应堆，另外也适应于在其它先进反应堆及高温环境下使用。

背景技术

ADS反应堆是一种嬗变核废料和产生洁净核能的新型核能系统，其独特的辐照条件和腐蚀问题，对候选结构材料提出更为苛刻的要求。目前国际上对ADS堆用结构材料的研究主要集中在马氏体/铁素体耐热钢，其主要特征是在传统耐热钢的基础上降低含碳量，严格限制硫、磷含量，添加少量钒和铌进行合金化，以保证其具有高温耐腐蚀性和强度。作为反应堆结构材料，要求其具有高的上限使用温度以及长时高温服役下的相稳定性以提高反应堆的经济性和安全性。

现有结构材料商用马氏体耐热钢T/P91由于具有良好的抗辐照和腐蚀能力以及较好的高温性能，被国际上普遍认为可以作为ADS反应堆的首选结构钢材料。但该结构钢材料距ADS反应堆应用要求仍有不足之处，如高温性能需要进一步提高。

发明内容

针对现有马氏体耐热钢存在的问题，通过细化MX型析出相，提出一种改进型结构材料马氏体钢耐热钢，其高温性能和析出相热稳定性较T/P91均有显著提高。

本发明的技术方案如下：

一种改进型结构材料马氏体耐热钢，其中：C 0.05~0.15%，Mn 0.30~0.60%， Si 0.20~0.50%，Cr 8.0~9.5%，Mo 0.85~1.05%，V 0.18~0.25%，Ta+Nb 0.05~0.30%，N 0.003~0.07%，P≤0.02%，S≤0.01%，Al≤0.04%，Ni≤0.4%，余量为Fe。该钢中采用合金元素Ta部分或全部替代T/P91中的Nb，通过细化MX型析出相，提高了高温使用性能。

其最终热处理制度：950-1100℃保温20-40min后淬火，然后730-780℃保温60-100min后回火，回火后得到完全回火马氏体组织。

本发明的原理：

本发明从对结构材料的高温性能和析出相稳定性等方面考虑，对现有的马氏体耐热钢T/P91的配方成分进行了进一步深入研究与优化。微合金元素Nb在T/P91中主要是通过形成稳定的析出相NbC以Orwan机制的方式实现第二相强化阻碍位错的移动来改善高温性能，第二相尺寸和热稳定直接关系到强化效果。本发明用Ta元素来部分或全部替代T/P91中的Nb，通过生成更为稳定的和尺寸更为细小的TaC来改善T/P91的高温性能，提高其使用温度和高温服役安全性，对发展ADS反应堆具有重要意义。

Nb(C，N）析出相在650℃时效~10000h后，平均尺寸为20~40nm；Ta（C，N）析出相在600~650℃时效30000h时后，平均尺寸为17-23nm，即使在750℃时效~1000h，Ta(C，N）析出相尺寸也不超过30nm。此外，热力学计算和实验结果均表明，TaC析出相的热稳定性高于NbC。

与T/P91相比，改进后的结构材料具有更为细小的析出相，其热稳定性更高，从而提高了材料的高温性能以及长时高温服役下的安全性。

本发明制备的结构钢材料通过Ta部分或全部替代T/P91中的Nb，在保留T/P91优良性能的基础上实现了MX型析出相的细化，进一步提高了材料的高温性能和使用安全性。利用本发明的马氏体耐热钢作为ADS反应堆的结构材料，可使ADS反应堆系统成为真正意义上的清洁能源，有利于提高其发电效率和安全性。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）本发明从细化MX型析出相的角度提出用Ta部分或全部替代T/P91中的Nb，通过生成更为细小和稳定的TaC析出相来进一步改善T/P91的高温性能，提高其使用温度和高温服役条件下的使用安全性，适合在ADS反应堆及其它先进反应堆下使用，同时也可以在其它高温环境下使用。

（2）具有很好的耐高温强度（蠕变和热疲劳）、抗腐蚀性和抗氧化性，同时可抗强中子辐照。它适用于ADS反应堆，另外也适应于在其它先进反应堆及高温环境下使用。

具体实施方式

下面结合具体实施例详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，不仅仅限于本实施例。

实施例1：

第一步：按照成分配比（C 0.10%，Mn 0.45%，Si 0.30%，Cr 9.0%，Mo 1.0%，V 0.20%，Ta 0.10%，Nb 0.05%，N 0.01%，P≤0.02%，S≤0.01%，Al≤0.04%，Ni≤0.4％，余量为Fe）和合金烧损量配备原材料。

第二步：在真空感应炉中根据合金元素的烧损和挥发特性依次加入合金原料，熔炼制备出成分合格的铸锭。加料原则：易氧化合金元素脱氧充分后加入，易挥发合金元素气氛保护下或者熔炼末期停止抽真空后加入。

第三步：锻造和轧制，制备出所需的型材：

锻造：初始锻造温度1150℃，保温时间1h，终锻温度900℃，锻造比5；

轧制：退火温度1050℃，保温时间1h，终轧温度800℃，冷却方式为空冷，总变形量90%。

其最终热处理制度：980℃保温30min后淬火，然后760℃保温90min后回火，回火后得到完全回火马氏体组织。

对组织进行观察发现MX型析出相主要为Nb(C，N）和Ta（C，N），其中Nb(C，N）平均尺寸为30nm，Ta（C，N）平均尺寸为20nm。

相比T/P91中的平均尺寸为30nm的Nb(C，N）析出相，实施方案通过加入Ta部分替代Nb，获得了更为细小的Ta（C，N）析出相，其平均尺寸为20mn，从而细化了析出相。

实施例2：

第一步：按照成分配比（C 0.15%，Mn 0.50%，Si 0.35%，Cr 8.5%，Mo 1.05%，V 0.25%，Ta 0.15%，N 0.005%，P≤0.02%，S≤0.01%，Al≤0.04%，Ni≤0.4%，余量为Fe）和合金烧损量配备原材料。

第三步：锻造和轧制，制备出所需的型材：

锻造：初始锻造温度1150℃，保温时间70min，终锻温度850℃，锻造比6；

轧制：退火温度1050℃，保温时间75min，终轧温度850℃，冷却方式为空冷，总变形量95%。

其最终热处理制度：1000℃保温40min后淬火，然后780℃保温100min后回火，回火后得到完全回火马氏体组织。

对组织进行观察发现MX型析出相主要为Ta（C，N），平均尺寸为20nm。

相比T/P91中的平均尺寸为30nm的Nb(C，N）析出相，实施方案通过加入Ta完全替代Nb，析出相主要为Ta（C，N），其平均尺寸为20mn，从而细化了MX型析出相。

总之，本发明通过采用Ta部分或全部替代T/P91中的Nb，对新型结构钢的MX型析出相进行了细化，其尺寸从20~40nm降低到17~23nm，热稳定性进一步提高。在保持T/P91原有优良性能的同时进一步改善了材料的高温性能，同时提高了高温服役时的安全可靠性。它可应用于ADS反应堆及其它先进反应堆，同时也可以应用在其它高温环境下。

需要说明的是，按照本发明上述各实施例，本领域技术人员是完全可以实现本发明独立权利要求及从属权利的全部范围的，实现过程及方法同上述各实施例；且本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种改进型结构材料马氏体耐热钢，其特征在于各成分质量百分比为：C 0.05~0.15%，Mn 0.30~0.60%，Si 0.20~0.50%，Cr 8.0~9.5%，Mo 0.85~1.05%，V 0.18~0.25%，Ta+Nb 0.05~0.30%，N 0.003~0.07%，P≤0.02%，S≤0.01%，Al≤0.04%，Ni≤0.4%，余量为Fe。

2.一种改进型结构材料马氏体耐热钢的制备方法，其特征在于：在真空感应熔炼炉中按照权利要求1所述组分配料熔炼后锻造和轧制成所需的型材，热处理工艺为：950-1100℃保温20-40min后淬火，然后730-780℃保温60-100min后回火，回火后得到完全回火马氏体组织，即得到改进型结构材料马氏体耐热钢。