CN105154775B - 一种聚变堆用可低温生成α-Al2O3阻氢渗透层的钢基结构材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种聚变堆用可低温生成α‑Al₂O₃阻氢渗透层的钢基结构材料。将钢材料原位低温生长α‑Al₂O₃层概念引入到聚变堆包层结构材料的研发领域，在保证良好高温力学性能及抗辐照性能的基础上，牺牲掉部分低活化特性，在铁素体马氏体钢中引入1%‑4.5%的铝，并可控制钢中的铬含量在热氧化过程中促进α‑Al₂O₃形核，从而在低温条件下获得致密且具有极好阻氢渗透效果的α‑Al₂O₃氧化层，在阻氢层受到长期中子辐照、冷却剂或液态氚增殖剂腐蚀导致阻氢效果变差后，可以通过再次热氧化达到自修复，从而可以保证在材料长期服役后，仍能保证足够的阻氢渗透效率。

Description

一种聚变堆用可低温生成α-Al2O3阻氢渗透层的钢基结构材料

技术领域

本发明涉及聚变堆包层结构材料及阻氢材料领域，确切地说是一种聚变堆用可低温生成α-Al₂O₃阻氢渗透层的钢基结构材料。

背景技术

人类的生存和发展离不开能源，随着社会生产力的发展，人类对能源的需求迅速增加。核聚变能是潜在的清洁安全能源，其主要燃料氘（D）大量存在于海水之中，几乎取之不尽用之不竭，核聚变能因其对环境友好和不产生放射性废料的高安全性等优势，成为解决能源危机最有效的方法之一。随着国际热核实验堆（International ThermonuclearExperimental Reactor， ITER）建设的推进，中国也正在进行聚变工程试验堆（ChineseFusion Engineering Testing Reactor， CFETR）的概念设计。作为聚变氘-氚（D-T）反应的燃料，T的用量非常巨大（一个1GW/y的D-T反应堆每年需消耗56 kg的T），而自然界中几乎没有T，目前靠裂变堆提供T的造价又极其高昂（CANDU堆生产：约30000美元/g），因此未来聚变堆将引入T增殖包层，自己解决这一问题。T损失和存量与装置中T接触到的材料和部件的设计及运行模式密切相关，T在这些材料中的渗透与滞留行为又起到最关键作用，直接关系着未来聚变堆运行的经济性与安全性。综合目前国内的阻氢材料的研发现状，氧化铝仍是阻氢涂层的最有潜力的材料之一，但是氧化铝涂层的制备仍存在几个难以解决问题：1.氧化铝和基体热胀系数不匹配，抗热冲击性能差；2.涂层很难大面积制备，在管道内部尤其是TBM（Test blanket module，包层测试模块）复杂的冷却回路内部的均匀性及致密性很难达到；3.致密性最好，阻氚性能最佳的α-Al₂O₃的形成温度一般在1150^oC以上，远远高于基体（低活化铁素体马氏体钢等）的相变温度（低活化铁素体马氏体钢相变温度约为850^oC）。4.涂层会受到中子的辐照，并可能会受到液态氚增殖剂及液态冷却剂的腐蚀，其阻氢效果将会随着工作时间的增长而剧烈降低。专利公开号CN 103160828A中，公布了一种钢基氧化铝阻氢渗透复合涂层的制备工艺，该工艺采用磁控溅射、等离子体喷涂等工艺

获得的氧化铝涂层为非晶态或γ相氧化铝，其阻氚效果远远差于α-Al₂O₃，并且磁控溅射等工艺难以在管道内壁等异形件制备阻氢渗透涂层。专利公开号CN 1415783中，公布了一种基于渗铝工艺和表面原位氧化工艺在不锈钢上生长氧化铝膜层的方法，但是其渗铝及氧化温度为900^oC，高于聚变用低活化铁素体马氏体钢的相变温度，将对基体性能产生影响。专利公开号CN 103374684A 公布了一种含铝氧化物弥散强化铁素体钢及其制备方法，其铝的添加是为了获得更好的抗氧化性能，其材料设计制备过程中未考虑铬铝含量对材料可形成α-Al₂O₃层的影响及材料阻氢性能。

发明内容

一种聚变堆用可低温生成α-Al₂O₃阻氢渗透层的钢基结构材料，其特征在于：含有下述重量百分的成分：Al:1.0-4.5%，Cr:9.5-18%， W:1.5-2.5%，C:0.08-0.12%，Si:0.10-0.30%，V:0.10-0.30%，Ti:0.0-0.03%， Ta:0.0-0.10%，N:0.01-0.05%， Mn:0.30-0.60%，余量为Fe。

所述的一种聚变堆用可低温生成α-Al₂O₃阻氢渗透层的钢基结构材料，其特征在于：制备方法为：按照各成分百分比需要分别取纯金属原材料进行真空感应熔炼及电渣重熔，然后进行锻造和轧制空冷到室温，再经过热处理工艺后，即得。

所述的一种聚变堆用可低温生成α-Al₂O₃阻氢渗透层的钢基结构材料，其特征在于：所述的热处理工艺具体为：1000-1100^oC固溶0.4-0.6h，淬火，740-750^oC下保温2h，回火。

通过对纯金属铁、铝、钨、铬、钒等原材料进行真空感应熔炼及电渣重熔获得上述钢材料。然后进行锻造和轧制空冷到室温。最终热处理制度参考了国际上著名的EUROFER97、 F82H钢，具体为900-1150^oC固溶0.5h，淬火，740-780^oC/2h，回火。

本发明的有益效果为：为满足聚变阻氢渗透材料的基本要求，本发明将钢材料原位低温生长α-Al₂O₃层概念引入到聚变堆包层结构材料的研发领域，在保证良好高温力学性能及抗辐照性能的基础上，牺牲掉部分低活化特性，在铁素体马氏体钢中引入2%-6%的铝，并可控制钢中的铬含量在热氧化过程中促进α-Al₂O₃形核，从而在低温条件下获得致密且具有极好阻氢渗透效果的α-Al₂O₃氧化层，在阻氢层受到长期中子辐照、冷却剂或液态氚增殖剂腐蚀导致阻氢效果变差后，可以通过再次热氧化达到自修复，从而可以在材料长期服役后，仍能保证足够的阻氢效率。由于热氧化法可以在任何复杂构件表面形成均匀致密的阻氢层，本发明特别适合于制作包层异形件如细长冷却管道，可以在满足基础力学性能的基础上，在内壁大面积获得均匀且具有较好阻氢效果及自修复能力的阻氢渗透层。

具体实施方式

下面结合具体实例对本发明做进一步的详细说明。

实施实例1：

一种含Al，Cr铁素体马氏体钢结构材料，该钢的化学成分（重量百分比）为：Al:2.5%，Cr:14%，W:1.5%，C:0.08%，Si:0.20%，V:0.10%，Ti:0.01%，Ta:0.05%，N:0.01%， Mn:0.30%，余量为Fe。

将纯金属铁、铝、钨、铬、钒等原材料进行真空感应熔炼及电渣重熔获得上述钢材料。然后进行锻造和轧制空冷到室温。热处理工艺为：1000^oC固溶0.5h，淬火，740^oC/2h，回火。

该钢的冲击功大于180J，室温拉伸强度大约为600Mpa，屈服强度大于520Mpa，韧脆转换温度DBTT约为-70^oC。经过在750^oC大气暴露下的10h原位氧化后，可在其表面产生约70nm厚α-Al₂O₃层，氧化层无纵深裂纹。经过350^oC-550^oC温度范围内10-10⁵pa氘气相驱动渗透测试，其氘渗透率/扩散系数相比未氧化母材有约1000倍的下降。

实施实例2：

一种含Al，Cr铁素体马氏体钢结构材料，该钢的化学成分（重量百分比）为：Al:4.0%，Cr:16%，W:1.5%，C:0.10%，Si:0.10%，V:0.20%，Ti:0.02%，Ta:0.0，N:0.02%， Mn:0.40%，余量为Fe。

将纯金属铁、铝、钨、铬、钒等原材料进行真空感应熔炼及电渣重熔获得上述钢材料。然后进行锻造和轧制空冷到室温。热处理工艺为：1000^oC固溶0.5h，淬火，760^oC/2h，回火。

该钢的冲击功大于210J，室温拉伸强度大约为650Mpa，屈服强度大于560Mpa，韧脆转换温度DBTT约为-60^oC。经过在740^oC大气暴露下的10h原位氧化后，可在其表面产生约80nm厚α-Al₂O₃层，氧化层无纵深裂纹。经过350^oC-550^oC温度范围内10-10⁵pa氘气相驱动渗透测试，其氘渗透率/扩散系数相比未氧化母材有约1000倍的下降。

综合上述两例，本发明可制备获得具有良好高温力学性能结构钢材料，并可在钢相变温度下通过原位氧化获得致密且具有极好阻氢渗透效果的α-Al₂O₃氧化层，因此，本发明特别适合于应用于制作包层异形件及涉氚管道。但需要指出的是，本发明的聚变堆用可低温生成α-Al₂O₃阻氢渗透层的钢基结构材料及其制备方法并不限于特定的原料或工艺，以上所述两例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 (3)

1.一种聚变堆用可低温生成α-Al₂O₃阻氢渗透层的钢基结构材料，其特征在于：含有下述重量百分的成分：Al:1.0-4.5%，Cr:9.5-18%， W:1.5-2.5%，C:0.08-0.12%，Si:0.10-0.30%，V:0.10-0.30%，Ti:0.0-0.03%， Ta:0.0-0.10%，N:0.01-0.05%， Mn:0.30-0.60%， 余量为Fe。

2.根据权利要求1所述的一种聚变堆用可低温生成α-Al₂O₃阻氢渗透层的钢基结构材料，其特征在于：制备方法为：按照各成分百分比需要分别取纯金属原材料进行真空感应熔炼及电渣重熔，然后进行锻造和轧制空冷到室温，再经过热处理工艺后，即得。

3.根据权利要求2所述的一种聚变堆用可低温生成α-Al₂O₃阻氢渗透层的钢基结构材料，其特征在于：所述的热处理工艺具体为：1000-1100^oC固溶0.4-0.6h，淬火，740-750^oC下保温2h，回火。