CN105297034B - 一种提高低活化铁素体/马氏体钢耐铅铋腐蚀性能的方法 - Google Patents

一种提高低活化铁素体/马氏体钢耐铅铋腐蚀性能的方法 Download PDF

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Abstract

本发明的目的是提供一种提高低活化铁素体/马氏体钢耐铅铋腐蚀性能的方法，使其满足服役条件的要求。该方法首先通过表面机械碾磨(SMGT)技术在材料表面制备晶粒尺寸小于100nm的纳米晶组织，然后经过预氧化处理具有纳米晶表面的低活化钢，从而在材料表面形成具有较好综合性能的富锰、铬氧化层，该氧化层均匀、致密、稳定，从而可以显著降低铅铋合金对结构材料的腐蚀破坏。该方法能够显著提高材料的耐铅铋腐蚀性能，从而为解决低活化材料的耐腐蚀性能差的问题提供了一条可行的途径。

Description

一种提高低活化铁素体/马氏体钢耐铅铋腐蚀性能的方法
技术领域
本发明涉及金属防护技术，具体提供一种提高低活化铁素体/马氏体钢耐铅铋腐蚀性能的方法。
背景技术
低活化铁素体/马氏体钢由于低的热膨胀系数、高的热导率、优良的抗辐照肿胀和抗辐照脆性等优越性能，被选作未来ADS散裂靶的候选结构材料。由于Pb-Bi合金具有良好的中子学性能、优良的导热性能以及液态Pb-Bi不存在辐照损伤等优点，Pb-Bi合金被选作未来ADS系统的中子产生靶兼冷却剂。由于ADS系统的工作环境温度在300-700℃区间，因此液态铅铋合金不可避免地将会对结构材料产生腐蚀，腐蚀方式主要有以下几种：1)材料中的组分元素在Pb-Bi合金中的溶解和质量迁移；2)组分元素与Pb-Bi合金中的杂质氧发生化学反应；3)Pb-Bi合金沿材料晶界渗透导致的晶界脆化；4)磨蚀与气蚀。为提高结构材料的耐铅铋腐蚀性能，一般认为若能在材料表面形成一层致密均匀且稳定的保护膜将铅铋合金与结构材料相隔离，那么这将会有效地降低铅铋合金对结构材料的腐蚀破坏。为此，研究人员提出以下几种防护机制：1)结构材料的表面处理与改性；2)在Pb-Bi合金中添加除氧剂和抑制剂；3)精确控制Pb-Bi合金中的氧含量或氧分压。其中控制Pb-Bi合金中的氧含量或氧分压是现在的研究热点，但如何实现仍是现在亟待解决的问题。
本发明提出利用表面纳米化与预氧化处理相结合的办法,在材料表面形成一层致密的保护性氧化膜,从而有效地降低铅铋合金对结构材料的腐蚀。表面纳米化技术是最近提出的一种材料表面改性方式，它利用表面机械碾压处理(SMGT)等方法使金属材料表面发生严重塑性流变，从而形成一层由表及里依次为纳米晶、亚微米晶和微米晶的梯度结构。利用SMGT细化材料表面晶粒，有望使合金元素在预氧化处理时发生选择性氧化，快速形成具有较好综合性能的外氧化层，从而在铅铋环境中起到保护结构材料的作用。
发明内容
针对ADS散裂靶候选结构材料——低活化铁素体/马氏体钢耐铅铋腐蚀性能较差，难以在铅铋合金中长时间使用等问题，本发明提供了一种提高其耐铅铋腐蚀性能的方法，通过表面机械碾压处理(SMGT)及高温预氧化相结合的工艺，在低活化钢的纳米晶表层形成一层致密均匀的富锰、铬氧化膜；该氧化膜均匀、致密、稳定，从而可以有效地降低液态铅铋合金对低活化铁素体/马氏体钢的腐蚀，使其满足服役条件的要求。
为了实现本发明目的，设计如下技术方案：
一种提高低活化铁素体/马氏体钢耐铅铋腐蚀性能的方法，其特征在于：通过高温预氧化处理具有纳米晶表层的低活化钢来提高材料的耐铅铋腐蚀性能。
其中，高温预氧化处理的处理温度为550～650℃，时间为20～80h，介质为空气；低活化铁素体/马氏体钢的纳米晶表层可以通过表面机械碾压处理(SMGT)的方法制备。
本发明所述提高低活化铁素体/马氏体钢耐铅铋腐蚀性能的方法，其特征在于：低活化钢在表面机械碾压处理前的热处理制度为：950～1050℃保温0.5～1.5小时水淬，600～800℃保温1～2小时空冷。
本发明所述提高低活化铁素体/马氏体钢耐铅铋腐蚀性能的方法，其特征在于：低活化铁素体/马氏体钢表面形成的纳米晶尺寸<100nm，组织细化层>50μm。
本发明所述提高低活化铁素体/马氏体钢耐铅铋腐蚀性能的方法，其特征在于：腐蚀环境为铅铋共晶合金(Pb-55 at.％Bi)，500～600℃，饱和氧压时，防铅铋腐蚀性能最佳。
本发明所述提高低活化铁素体/马氏体钢耐铅铋腐蚀性能的方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)、对低活化铁素体/马氏体钢进行热处理得到回火态组织，热处理制度为950～1050℃保温0.5～1.5小时水淬，600～800℃保温1～2小时空冷；
(2)、将回火态的低活化铁素体/马氏体钢进行表面机械碾压处理，在材料表面制备晶粒尺寸<100nm的纳米晶，并且有>50μm组织细化层形成；
(3)、对具有纳米晶表面的低活化铁素体/马氏体钢进行预氧化处理，处理制度为：550～650℃，保温20～80h，介质为空气；最终在低活化铁素体/马氏体钢表面形成一层致密均匀且较为稳定的氧化膜，该氧化层可有效地阻挡铅铋合金对结构材料的腐蚀。
本发明的原理是：
将低活化铁素体/马氏体钢经SMGT处理后可在材料表面形成纳米晶，从而极大地提高合金元素在材料表面的扩散速度，促进了合金元素在预氧化时发生选择性氧化，有利于生成致密、均匀且稳定性较好的氧化膜，该氧化层可有效地提高结构材料的耐铅铋腐蚀性能。
本发明的优点在于：
1、本发明所述方法有效地提高了材料的耐铅铋腐蚀性能，使得经表面纳米化和预氧化处理的材料在铅铋合金中的腐蚀速度小于未经上述处理的材料的腐蚀速度。
2、本发明所述方法可以解决低活化铁素体/马氏体钢耐铅铋腐蚀性能不理想的问题，同时表面纳米化可以提高材料的抗高温氧化能力及力学性能等。
附图说明
图1为9Cr2WVTa低活化马氏体钢热处理后的原始粗晶形貌；
图2为9Cr2WVTa低活化马氏体钢经过表面机械碾压处理(SMGT)后截面形貌；
图3为经SMGT处理后材料表面组织的透射电子显微镜暗场像；
图4为经SMGT处理后的9Cr2WVTa钢在600℃保温20h后所生成氧化膜的元素分布；
图5为经纳米化及预氧化处理后材料在550℃铅铋合金中静置500h后的截面形貌；
图6为原始粗晶材料在550℃铅铋合金中静置500h后的截面形貌；
图7为具有纳米晶表面的材料在550℃铅铋合金中静置500h后的截面形貌；
图8为原始粗晶材料在600℃保温20h后所生成氧化膜的元素分布；
图9为预氧化处理原始粗晶材料在550℃铅铋合金中静置500h后的截面形貌。
具体实施方式
实施例1
以9Cr2WVTa低活化铁素体/马氏体钢为研究材料来说明本发明对低活化钢耐铅铋腐蚀性能的影响，其成分如表1所示。材料在SMGT前的热处理制度为：1050℃保温1小时水淬，750℃保温2小时空冷；由图1可知，热处理后材料由回火马氏体及碳化物组成，晶粒尺寸约为15μm。将经过热处理后的低活化钢进行表面机械碾压处理，图2为材料经SMGT处理后的截面形貌，从图中可知其组织细化层约为70μm；图3为经SMGT处理后材料表面组织的透射电子显微镜暗场像，可知在材料表面形成了晶粒尺寸小于100nm的纳米晶。具有纳米晶表面的9Cr2WVTa在600℃预氧化20h后，其氧化层中的元素分布如图4所示；由图可知，在纳米晶表面形成了厚度约为100nm的氧化层，其中铁、铬、锰的原子百分比分别为25％，9％，13％。将具有该氧化层的样品在550℃静态铅铋共晶合金且为饱和氧压的环境中放置500h后，其截面形貌如图5所示，由图可知，结构材料没有发生明显的氧化腐蚀，因此通过预氧化处理具有纳米晶表层的9CrWVTa低活化钢可以显著提高材料的耐铅铋腐蚀性能。
表1 9CrWVTa低活化铁素体/马氏体钢的成分(质量百分比％)
实施例2
使用与实施例1相同的材料，并且经过相同的热处理但不进行预氧化及纳米化处理，将样品置于与实施例1相同的腐蚀环境中，其腐蚀结果如图6所示；由图可知，在原材料表面生成了一层厚度约为20μm的氧化层，与实施例2中情况相当。由此可知，原始态粗晶材料在铅铋环境中会发生明显的氧化，不具有耐铅铋腐蚀的性能。
实施例3
使用与实施例1相同的材料、热处理及纳米化方式，但对具有纳米晶表面的材料不进行预氧化处理。将具有纳米晶表面的材料静置于与实施例1相同的腐蚀环境中500h，其截面形貌如图7所示。由图可知，材料在铅铋环境中已经发生了氧化，且在材料表面形成一层约为20μm的氧化层。因此，单纯的纳米晶无法避免9CrWVTa低活化钢在铅铋合金中发生腐蚀。
实施例4
使用与实施例1相同的材料、热处理及预氧化方式，但对材料没有经过表面纳米化处理，将经上述方式处理后的材料静置于与实施例1相同的腐蚀环境中500h。如图8所示，经预氧化处理后在材料表面形成了一层由铁、铬氧化物形成厚约200nm的氧化层。其腐蚀后的形貌如图9所示，由图可知，经500h腐蚀后在材料表面形成了一层约为20μm的氧化层，与实施例2中情况相当。因此对不具有纳米晶表面的材料进行预氧化处理无法降低铅铋合金对结构材料的腐蚀。
实施例5
使用与实施例1相同的材料、热处理及纳米化方式，但对具有纳米晶表面的材料在550℃预氧化20h。将经上述方式处理后的材料静置于与实施例1相同的腐蚀环境中500h。经过预氧化后，在材料表面形成一层致密均匀的富铬氧化层，该氧化层有效地起到阻挡铅铋合金腐蚀的作用。
实施例6
使用与实施例1相同的材料、热处理及纳米化方式，但对具有纳米晶表面的材料在650℃预氧化20h。将经上述方式处理后的材料静置于与实施例1相同的腐蚀环境中500h。经过预氧化后，在材料表面形成一层致密均匀的富铬氧化层，该氧化层有效地起到阻挡铅铋合金腐蚀的作用。
实施例7
使用与实施例1相同的材料、热处理及纳米化方式，但对具有纳米晶表面的材料在300℃预氧化20h。将经上述方式处理后的材料静置于与实施例1相同的腐蚀环境中500h。由于预氧化温度较低且氧化时间较短，利用该预氧化方法在在材料表面形成氧化层保护性较差，从而无法有效地起到阻挡铅铋合金腐蚀的作用。
实施例8
使用与实施例1相同的材料、热处理及纳米化方式，但对具有纳米晶表面的材料在700℃预氧化20h。将经上述方式处理后的材料静置于与实施例1相同的腐蚀环境中500h。由于预氧化温度较高，使得纳米晶发生再结晶长大，从而无法为合金元素的快速扩散提供通道，因此采用该预氧化方法所形成的氧化层无法有效地起到阻挡铅铋合金腐蚀的作用。
实施例9
使用与实施例1相同的材料、热处理及纳米化方式，但对具有纳米晶表面的材料在600℃预氧化2h。将经上述方式处理后的材料静置于与实施例1相同的腐蚀环境中500h。由于预氧化时间较短，材料表面所形成的氧化层较薄，对基体的保护能力较差；因此采用该预氧化方法所形成的氧化层无法有效地起到阻挡铅铋合金腐蚀的作用。
实施例10
使用与实施例1相同的材料、热处理及纳米化方式，但对具有纳米晶表面的材料在600℃预氧化200h。将经上述方式处理后的材料静置于与实施例1相同的腐蚀环境中500h。由于预氧化时间较长，纳米晶发生再结晶长大，材料表面形成的氧化层对基体的保护能力较差；因此采用该预氧化方法所形成的氧化层无法有效地起到阻挡铅铋合金腐蚀的作用。
实施例11
使用与实施例1相同的材料、热处理及预氧化方式，但材料经表面机械碾压处理后所形成的晶粒尺寸约为30nm。将经上述方式处理后的材料静置于与实施例1相同的腐蚀环境中500h。由于表面晶粒尺寸较小，为合金元素的快速扩散所提供大量通道，从而预氧化时材料表面快速形成保护性氧化层，从而能够有效地降低铅铋合金对材料的腐蚀。
实施例12
使用与实施例1相同的材料、热处理及预氧化方式，但材料经表面机械碾压处理后所形成的晶粒尺寸约为1mm。将经上述方式处理后的材料静置于与实施例1相同的腐蚀环境中500h。由于表面晶粒尺寸较大，为合金元素的快速扩散所提供的通道较少，因此无法在材料表面快速形成保护性氧化层，从而无法有效地降低铅铋合金对材料的腐蚀。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种提高低活化铁素体/马氏体钢耐铅铋腐蚀性能的方法，其特征在于：通过高温预氧化处理具有纳米晶表层的低活化钢来提高材料的耐铅铋腐蚀性能；高温预氧化处理的处理温度为550～650℃，时间为20～80h，介质为空气；低活化铁素体/马氏体钢的纳米晶表层通过表面机械碾压处理(SMGT)的方法制备。
2.按照权利要求1所述提高低活化铁素体/马氏体钢耐铅铋腐蚀性能的方法，其特征在于：低活化钢在表面机械碾压处理前的热处理制度为：950～1050℃保温0.5～1.5小时水淬，600～800℃保温1～2小时空冷。
3.按照权利要求1或2所述提高低活化铁素体/马氏体钢耐铅铋腐蚀性能的方法，其特征在于：低活化钢表面形成的纳米晶尺寸<100nm，组织细化层>50μm。
4.按照权利要求1所述提高低活化铁素体/马氏体钢耐铅铋腐蚀性能的方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)、对低活化铁素体/马氏体钢进行热处理得到回火态组织，热处理制度为950～1050℃保温0.5～1.5小时水淬，600～800℃保温1～2小时空冷；
(2)、将回火态的低活化铁素体/马氏体钢进行表面机械碾压处理，在材料表面制备晶粒尺寸<100nm的纳米晶，并且有>50μm组织细化层形成；
(3)、对具有纳米晶表面的低活化铁素体/马氏体钢进行预氧化处理，处理制度为：550～650℃，保温20～80h，介质为空气；最终在低活化铁素体/马氏体钢表面形成一层致密均匀且较为稳定的氧化膜。
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Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110359006A (zh) * 2019-07-18 2019-10-22 中国科学院金属研究所 一种提高耐热钢耐液态金属腐蚀的方法
CN112646957B (zh) * 2020-12-01 2022-02-22 中国科学院金属研究所 一种提高铁素体-马氏体钢耐铅铋腐蚀性能的预处理方法
CN113106385B (zh) * 2021-03-15 2022-05-06 中国科学院金属研究所 一种提高铁素体-马氏体钢耐铅铋腐蚀性能的渗铝涂层制备方法
CN113308663B (zh) * 2021-04-18 2022-05-10 湖南金天铝业高科技股份有限公司 钛合金表面处理方法
CN113444999B (zh) * 2021-06-25 2022-05-06 中国科学院金属研究所 一种促进铁素体-马氏体钢表面生成耐铅铋腐蚀FeAl渗层的方法
CN114561614B (zh) * 2022-03-04 2023-03-14 西安交通大学 一种提高钢铁材料在铅或铅铋中抗腐蚀性能的处理方法
CN114959548B (zh) * 2022-05-23 2024-05-07 中国科学院金属研究所 一种预氧化处理提高铁素体/马氏体钢耐铅（铅铋）腐蚀性能的方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1301873A (zh) * 1999-12-24 2001-07-04 中国科学院金属研究所 一种金属材料表面纳米层的制备方法
CN1413774A (zh) * 2002-09-09 2003-04-30 金科 粉末热喷涂纳米材料涂层的制备方法
CN102560257A (zh) * 2012-03-02 2012-07-11 华中科技大学 一种用于聚变堆的低活化钢结构材料
CN102943209A (zh) * 2012-11-16 2013-02-27 中国科学院金属研究所 一种与Pb和Pb-Bi具有良好相容性的耐辐射马氏体耐热钢
CN103789530A (zh) * 2014-01-20 2014-05-14 北京科技大学 一种用离子预辐照提高低活化材料抗辐照性能的方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2601245A1 (en) * 2010-08-05 2013-06-12 Biofilm IP, LLC Cyclosiloxane-substituted polysiloxane compounds, compositions containing the compounds and methods of use thereof

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1301873A (zh) * 1999-12-24 2001-07-04 中国科学院金属研究所 一种金属材料表面纳米层的制备方法
CN1413774A (zh) * 2002-09-09 2003-04-30 金科 粉末热喷涂纳米材料涂层的制备方法
CN102560257A (zh) * 2012-03-02 2012-07-11 华中科技大学 一种用于聚变堆的低活化钢结构材料
CN102943209A (zh) * 2012-11-16 2013-02-27 中国科学院金属研究所 一种与Pb和Pb-Bi具有良好相容性的耐辐射马氏体耐热钢
CN103789530A (zh) * 2014-01-20 2014-05-14 北京科技大学 一种用离子预辐照提高低活化材料抗辐照性能的方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"表面纳米化AISIH13钢的渗铬处理及其耐磨性";吕寿丹等;《宝钢技术》;20110415(第2期);第32-37页 *
"表面自纳米化钢铁材料的研究进展";梁永立等;《世界钢铁》;20110315(第2期);第36-44页 *

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