CN105734234B - 一种提高低活化铁素体/马氏体钢高温强度和抗氧化性能的方法 - Google Patents

一种提高低活化铁素体/马氏体钢高温强度和抗氧化性能的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高低活化铁素体/马氏体钢高温强度和抗氧化性能的方法，属于低活化铁素体/马氏体钢制备技术领域。通过对常规热处理态的低活化铁素体/马氏体钢进行旋转锻压变形和退火处理，实现了晶粒尺寸和碳化物的协同控制，通过细化晶粒尺寸来促进氧化膜的快速形成及与基体的结合力，提高材料的抗高温氧化性能，同时细化碳化物尺寸以及提高碳化物的弥散分布，来保证细晶结构的稳定性和提高高温力学性能。采用本发明方法制备的低活化铁素体/马氏体钢能在满足热物理性能和抗辐照性能的同时，获得高温强度和抗氧化性能的同步提升，可为核电工业制备出新型高性能低活化铁素体/马氏体钢。

Description

一种提高低活化铁素体/马氏体钢高温强度和抗氧化性能的 方法
技术领域
本发明涉及低活化铁素体/马氏体钢制备技术领域，具体涉及一种提高低活化铁素体/马氏体钢高温强度和抗氧化性的方法。
背景技术
低活化铁素体/马氏体钢(RAFM)具有低的热膨胀系数、高的热导率、良好的抗辐照性能和成熟的技术基础等优点，被普遍认为是未来四代核反应堆和聚变堆的主要候选材料。该类钢的主要合金成分是Fe(9～12wt.％)Cr，以低活性的W、V、Ta等元素来取代耐热钢中高活性的Mo、Nb、Ni等元素而发展形成。低活化铁素体/马氏体钢的服役环境为高温环境，温度在300-600℃，要求材料具有良好的高温强度和抗高温氧化性能。
铁素体/马氏体钢经淬火、回火常规热处理后，碳化物主要在原奥晶界及马氏体板条界析出，是钢中的有效强化相，但高温下界面上元素通过短路扩散使得碳化物易发生粗化，从而导致材料强度的降低。此外，铁素体/马氏体钢中的Cr含量较低，高温下形成氧化膜的致密性和黏附性较差，导致抗氧化性能较差，这直接影响材料的使用寿命和安全性。因此，如何提高铁素体/马氏体钢的高温强度和抗氧化性能是一个亟待解决的问题。
为解决上述问题，科研人员研发出多种方法，如利用机械热处理方法改善碳化物的尺寸和分布，降低碳化物的粗化速率，提高材料的高温强度；调整热处理制度控制碳化物析出行为获得细小的M23C6碳化物，提高材料的高温强度；利用表面处理或制备涂层的方法来改善材料的抗氧化能力等。但是，依据上述方法无法同时兼顾到材料的高温强度和抗氧化性能，迫切需要开发高温强度和抗氧化性能更加优异的低活化铁素体/马氏体钢。本发明通过剧烈塑性变形工艺和热处理工艺来实现晶粒尺寸和碳化物的协同控制，同时提高低活化铁素体/马氏体钢的高温强度和抗氧化性能。
发明内容
为了解决现有低活化铁素体/马氏体钢高温强度和抗氧化性能不能兼顾的问题，本发明的目的是提供一种提高低活化铁素体/马氏体钢高温强度和抗高温氧化性能的方法，该方法通过旋转锻压变形和退火处理，实现晶粒尺寸和碳化物的协同控制，显著提高低活化铁素体/马氏体钢的高温强度和抗氧化性能。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种提高低活化铁素体/马氏体钢高温强度和抗高温氧化性能的方法，该方法是通过控制低活化铁素体/马氏体钢中的晶粒尺寸、碳化物的尺寸和分布状态，来提高材料的高温强度和抗氧化性能，具体包括以下步骤：
1)熔炼及热加工：采用真空感应炉熔炼低活化铁素体/马氏体钢，严格控制杂质元素含量，将铸锭在1100～1150℃保温2～3h后进行锻造，开坯锻造温度1100～1150℃，终锻温度900℃～950℃，获得锻板；
2)热处理：将步骤1)所得锻板在1000～1050℃保温30～60min后水冷；然后在750±10℃保温1～3h后空冷；
3)旋转锻压变形：将步骤2)热处理后的锻板在精密旋锻机上进行分道次旋转锻压变形处理，其中，旋转锻压变形的工艺参数为：变形温度为室温，单道次变形量为10％～20％(优选为15％)，累计变形量为85％～95％(优选90～95％)；
4)退火处理：将步骤3)变形后的合金在650～750℃(优选700℃)进行保温10～30min(优选20min)，取出空冷至室温。
上述步骤1)中，所述熔炼过程是将原材料按照低活化铁素体/马氏体钢的化学成分进行配料，装入CaO坩埚，采用真空感应熔炼铸锭。
本发明具有如下有益效果：
1、碳化物是低活化铁素体/马氏体钢中的有效强化相，但主要在原奥晶界及马氏体板条界析出，短路扩散促使碳化物发生粗化而降低高温强度。基于这方面的考虑，本发明通过剧烈塑性变形处理实现了低活化铁素体/马氏体钢中碳化物尺寸与分布的调控，一方面，使碳化物原本沿界面分布形貌转变为均匀分布形貌，另一方面，使原本棒状形貌碳化物转变为细小的球状形貌碳化物。这种细小均匀分布的碳化物既具有弥散强化效果，又有较小的粗化速率，有利于合金高温性能的提升。
2、本发明通过旋转锻压变形和退火处理工艺，实现了晶粒尺寸的调控，有效细化了晶粒尺寸且提高晶粒尺寸稳定性。一般认为，细晶材料中存在大量的界面和晶格畸变，使其在热力学上处于亚稳状态，高温下易发生晶粒长大。针对这一问题，本发明通过旋转锻压变形与退火处理的协同控制，利用细小、弥散分布碳化物颗粒对晶界迁移的强烈阻碍作用可保证细晶结构良好的稳定性，细晶结构有利于表面氧化层的快速形成，提高材料的高温氧化性能。
3、采用本发明方法制备的低活化铁素体/马氏体钢在具有良好抗氧化性能的同时，具有高的高温强度和塑性。
4、本发明采用旋转锻压变形和退火处理的组合工艺，制备方法简单，容易操作，试验参数控制方便，可移植性强。
附图说明
图1为本发明工艺处理后显微组织的透射照片。
图2为本发明工艺处理前后样品650℃氧化500h后的氧化产物形貌；其中：(a)本发明工艺处理前样品；(b)本发明工艺处理后样品。
图3为本发明工艺处理前后样品650℃氧化500h后氧化层的截面形貌；其中：(a)本发明工艺处理前样品；(b)本发明工艺处理后样品。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步详细说明。各实施例以本发明技术为前提下进行实施，给出详细的实施方式和具体的操作过程，并与工艺处理前的合金性能进行对比，来说明本发明的创造性。
以下实施例及对比例中，所述熔炼过程为：将原材料按照9Cr2WVTa低活化铁素体/马氏体钢的化学成分进行配料，按重量百分比计，所述9Cr2WVTa低活化铁素体/马氏体钢的化学成分为：碳:0.08～0.14％，铬:8.5～9.5％，钨:1.5～2.0％，钒:0.2～0.3％，钽：0.05～0.15％，锰:0.4～0.6％，硅：0～0.5％，S≤0.01％，P≤0.01％，余量为铁和不可避免的杂质。配料后装入CaO坩埚，采用真空感应熔炼铸锭。
所述旋转锻压变形过程中所用精密旋锻机型号为西安创新精密仪器研究所生产的X05旋锻机。
对比例1
1)熔炼及热加工：采用真空感应炉熔炼9Cr2WVTa低活化铁素体/马氏体钢，严格控制杂质元素含量，具体化学成分(wt.％)：C:0.11％，Cr:8.86％，W:1.62％，V:0.24％，Ta:0.11％，Mn:0.45％，Si:0.05％，S:0.005％，P:0.005％，余量为Fe。将铸锭在1100℃保温2h后进行锻造，开坯锻造温度1100℃，终锻温度900℃以上，获得30mm厚的锻板；
2)热处理：将步骤1)锻造后的合金在1050℃保温60min后水冷；然后在750℃保温2h后空冷；
对以上常规热处理的9Cr2WVTa低活化铁素体/马氏体钢进行性能测试，550℃的抗拉强度为376MPa，屈服强度为340MPa，延伸率为25％，见表1。650℃高温氧化500h后氧化产物形貌如图2(a)所示，氧化物颗粒较大且不均匀。
实施例1
1)熔炼及热加工：采用真空感应炉熔炼9Cr2WVTa低活化铁素体/马氏体钢，严格控制杂质元素含量，具体化学成分(wt.％)：C:0.11％，Cr:8.86％，W:1.62％，V:0.24％，Ta:0.11％，Mn:0.45％，Si:0.05％，S:0.005％，P:0.005％，余量为Fe。将铸锭在1100℃保温2h后进行锻造，开坯锻造温度1100℃，终锻温度900℃以上，获得30mm厚的锻板；
2)热处理：将步骤1)锻造后的合金在1050℃保温60min后水冷；然后在750℃保温2h后空冷；
3)旋转锻压变形：将步骤2)热处理后的合金在精密旋锻机上进行分道次可控变形处理，其中，旋转锻压变形的工艺参数为：变形温度为室温，单道次变形量为15％，累计变形量94％；
4)退火处理：将步骤3)变形后的合金在700℃进行保温20min，取出空冷至室温。
图1为实施例处理后9Cr2WVTa低活化铁素体/马氏体钢的显微组织，晶粒细小，尺寸为200～300nm，图中黑色球状物为碳化物，尺寸为50～70nm，且均匀分布在基体中。对本实施例处理后的9Cr2WVTa低活化铁素体/马氏体钢进行性能测试，结果显示：经过本发明工艺处理后，实施例1中9Cr2WVTa低活化铁素体/马氏体钢550℃的抗拉强度为448MPa，屈服强度为377MPa，延伸率为30％，见表1。650℃氧化500h后氧化产物形貌如图2(b)所示。与对比例1相比，合金的高温强度和塑性得到了提高，并且采用本实施例处理后的9Cr2WVTa低活化铁素体/马氏体钢高温氧化后的氧化物颗粒明显小于对比例1。
对比例2
1)熔炼及热加工：采用真空感应炉熔炼9Cr2WVTa低活化铁素体/马氏体钢，严格控制杂质元素含量，具体化学成分(wt.％)：C:0.13％，Cr:8.70％，W:1.74％，V:0.25％，Ta:0.10％，Mn:0.47％，Si:0.04％，S:0.006％，P:0.006％，余量为Fe。将铸锭在1100℃保温2h后进行锻造，开坯锻造温度1100℃，终锻温度900℃以上，获得30mm厚的锻板；
2)热处理：将步骤1)锻造后的合金在1050℃保温60min后水冷；然后在750℃保温2h后空冷；
对以上常规热处理的9Cr2WVTa低活化铁素体/马氏体钢进行性能测试，550℃的抗拉强度为393MPa，屈服强度为369MPa，延伸率为24％，见表1。650℃氧化500h后氧化产物形貌与图2(a)相似，氧化层截面形貌如图3(a)所示，氧化层厚度为8μm。
实施例2
一种提高低活化铁素体/马氏体钢高温强度和抗氧化性能的方法，与实施例1主要不同的是选用了不同成分的合金以及旋转锻压变形工艺参数，具体工艺步骤如下：
1)熔炼及热加工：采用真空感应炉熔炼9Cr2WVTa低活化铁素体/马氏体钢，严格控制杂质元素含量，具体化学成分(wt.％)：C:0.13％，Cr:8.70％，W:1.74％，V:0.25％，Ta:0.10％，Mn:0.47％，Si:0.04％，S:0.006％，P:0.006％，余量为Fe。将铸锭在1100℃保温2h后进行锻造，开坯锻造温度1100℃，终锻温度900℃以上，获得30mm厚的锻板；
2)热处理：将步骤1)锻造后的合金在1050℃保温60min后水冷；然后在750℃保温2h后空冷；
3)旋转锻压变形：将步骤2)热处理后的合金在精密旋锻机上进行分道次可控变形处理，其中，旋转锻压变形的工艺参数为：变形温度为室温，单道次变形量为20％，累计变形量94.5％；
4)退火处理：将步骤3)变形后的合金在700℃进行保温20min，取出空冷至室温。
对本实施例处理后的9Cr2WVTa低活化铁素体/马氏体钢进行性能测试，结果显示：经过本发明工艺处理后，实施例2中9Cr2WVTa低活化铁素体/马氏体钢550℃的抗拉强度为481MPa，屈服强度为407MPa，延伸率为30％，见表1。与对比例2相比，合金的高温强度和塑性得到明显提高。650℃氧化500h后氧化产物形貌与图2(b)相似，氧化层截面形貌如图3(b)所示，氧化物层厚度为1.5μm，远小于对比例2，提高了抗高温氧化性能。
表1本发明处理前后9Cr2WVTa低活化铁素体/马氏体钢性能数据
处理工艺 抗拉强度(MPa) 屈服强度(MPa) 延伸率(％)
对比例1 376 340 25
实施例1 448 377 30
对比例2 393 369 24
实施例2 481 407 30
通过上述对比例和实施例的内容，分析可得：通过本发明方法对常规热处理态9Cr2WVTa低活化铁素体/马氏体钢进行旋转锻压变形和退火处理，实现了晶粒尺寸和碳化物的协同控制，通过细化晶粒尺寸来促进氧化膜的快速形成及与基体的结合力，提高材料的抗高温氧化性能，同时细化碳化物尺寸以及提高碳化物的弥散分布，来保证细晶结构的稳定性和提高高温力学性能。本发明方法可同时提高低活化铁素体/马氏体钢的高温强度和抗氧化性能。
以上实施例只为说明本发明的技术构思及特点，目的在于让本领域技术人员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/马氏体钢高温强度和抗氧化性能的方法，其特征在于：该方法是通过控制低活化铁素体/马氏体钢中的晶粒尺寸、碳化物的尺寸和分布状态，来提高低活化铁素体/马氏体钢的高温强度和抗氧化性能，具体包括如下步骤：
1)熔炼及热加工：采用真空感应炉熔炼低活化铁素体/马氏体钢，将铸锭在1100～1150℃保温2～3h后进行锻造，开坯锻造温度1100～1150℃，终锻温度900～950℃，获得锻板；
2)热处理：将步骤1)所得锻板在1000～1050℃保温30～60min后水冷；然后在750±10℃保温1～3h后空冷；
3)旋转锻压变形：将步骤2)热处理后的锻板在精密旋锻机上进行分道次旋转锻压变形处理，其中，旋转锻压变形的工艺参数为：变形温度为室温，单道次变形量为10％～20％，累计变形量为85％～95％；
4)退火处理：将步骤3)变形后的合金在700℃进行保温20min，取出空冷至室温。
2.按照权利要求1所述的提高低活化铁素体/马氏体钢高温强度和抗氧化性能的方法，其特征在于：步骤1)中，熔炼低活化铁素体/马氏体钢的过程为：原材料按照低活化铁素体/马氏体钢的化学成分进行配料后，装入CaO坩埚，采用真空感应熔炼获得合金铸锭。
3.按照权利要求1所述的提高低活化铁素体/马氏体钢高温强度和抗氧化性能的方法，其特征在于：步骤3)中单道次变形量为15％。
4.按照权利要求1所述的提高低活化铁素体/马氏体钢高温强度和抗氧化性能的方法，其特征在于：步骤3)中累积变量为90～95％。
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