CN108728724B - 一种通过添加微量Au提高铁素体钢抗辐照性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种通过添加微量可移动的固溶原子Au提高铁素体钢抗辐照性能的方法。真空熔炼含质量分数为1‑4.5％Au的铁素体钢，将合金封装在含200mbar高纯氩气的石英管中，在830～880℃保温1～6h，然后快速水冷淬火，将可移动的Au原子过饱和固溶到铁素体基体中。在高温He离子辐照条件下铁素体钢基体中有大量纳米级富金相选择性地在辐照损伤位置析出，填充辐照缺陷并显著抑制辐照肿胀。
Description
技术领域
本发明涉及钢结构材料技术领域，具体涉及一种提高反应堆用结构钢材料抗辐照性能的方法。
背景技术
核能是一种清洁、安全、高效的新型能源，具有大规模代替化石燃料的潜力，在目前的世界能源结构中占有重要地位。铁素体钢由于具有加工技术相对成熟，生产成本相对低，通过热处理能够得到需要的低温和高温力学性能等优点，是核反应堆包壳、压力容器、蒸汽发生器等部件的重要应用材料。铁素体钢的成分设计和优化对提高其在核反应堆高温高压、强辐照、腐蚀条件下服役稳定性和使用寿命具有重要意义。比如通过C与合金元素形成碳化物以提高钢铁的力学性能，但是C含量不能过高防止在服役过程中生成粗大相而导致性能的恶化(专利号ZL201310303487.6)。Cr元素是提高抗氧化性能的主添加合金元素，通过在表面生成致密的Cr2O3氧化膜抑制合金在高温条件下的腐蚀(申请号ZL201410251099.2)。利用低活化元素W，Ta、V等替代活化元素Nb，Mo，提高其抗辐照性能(申请号ZL201210053495.5)。在铁素体钢中添加纳米级的Y2O3颗粒，通过弥散颗粒对亚晶粒的钉扎作用有效提高了材料的使用温度，同时纳米氧化物可以有效俘获辐照缺陷和He，避免大尺寸氦泡的产生，从而提高材料的抗辐照性能。上述常规的提高钢铁材料在辐照条件下服役稳定性的方法是通过成分设计与优化使材料变得更强，抑制损伤的产生和生长，以提高材料的抗辐照性能。本申请专利提出了通过损伤产生后对损伤的自动修复来提高材料抗辐照性能的新思路，通过添加的微量Au在辐照损伤处的选择性析出行为对缺陷进行修复，从而提高钢铁材料的抗辐照性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种通过添加微量可移动的固溶原子Au提高铁素体钢抗辐照性能的方法。
本发明提供的技术方案是，利用过饱和固溶处理在铁素体基体中添加微量Au元素，通过富金相在辐照损伤位置的选择性偏析提高材料的抗辐照性能。
其中，所述铁素体钢的成分，各元素按质量百分比Au为1-4.5％，C为0.001-0.01％，Si为0.01-0.1％，余量为Fe。
其中，所述铁素体钢材料中可移动Au原子的添加和存储方法为真空熔炼含质量分数为1-4.5％wt.％Au的铁素体钢，并锻造、轧制成2mm厚的钢板，然后通过线切割制备样品并对材料进行抛光并用丙酮清洗。将合金封装在含200mbar高纯氩气的石英管中，在830～880℃保温1～6h，然后快速水冷淬火。
优选的，线切割制备的样品尺寸为10mm×10mm×2mm。
进一步的，辐照条件为：550℃，辐照剂量为5×1016ions/cm2，真空度<1×10-3Pa.
其中，在辐照条件下，所述铁素体钢基体中有大量纳米级富金相选择性地在辐照损伤位置析出，对辐照缺陷进行自动修复，显著抑制材料的辐照肿胀现象。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明突破常规的反应堆用结构钢材料的开发思路，提供了具有辐照损伤自修复功能的反应堆用钢铁智能材料，成分设计简单、工艺操作简便。
附图说明
图1是实施例1添加合金元素Au后铁素体钢在辐照后的透射电镜照片(HADDF模式)。
图2是实施例1添加合金元素Au后铁素体钢在辐照后的透射电镜照片(HADDF模式)及对应的元素Au的面扫图。
图3是实施例2未添加合金元素Au的铁素体钢在辐照后的电镜照片。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，以下结合具体实施例并配合附图，对本发明进一步详细说明。
实施例1
一种含微量Au的铁素体钢材料，该材料的成分各元素按质量百分比Au为4.2％，C为0.002％，Si为0.025％，余量为Fe。真空熔炼含质量分数为4.2％Au的铁素体钢，并锻造、轧制成2mm厚的钢板，然后通过线切割制备样品尺寸为10mm×10mm×2mm，对材料进行抛光并用丙酮清洗；将合金封装在含200mbar高纯氩气的石英管中，在868℃保温5h，，然后快速水冷淬火。
进行高温He离子辐照实验，辐照条件为：550℃，辐照剂量为5×1016ions/cm2，真空度<1×10-3Pa.
如图1，2透射电镜显微图所示，He离子辐照后产生尺寸为6～20nm的氦泡，富金析出相富集在氦泡的表面，对氦泡进行修复，该钢铁材料的辐照肿胀率为0.35％。
实施例2
一种不含微量Au的铁素体钢材料，该材料的成分各元素按质量百分比C为0.01％，Si为0.01％，余量为Fe。将上述成分原料经过真空熔炼、并锻造、轧制成2mm厚的钢板，然后通过线切割制备样品尺寸为10mm×10mm×2mm，对材料进行抛光并用丙酮清洗；将合金封装在含200mbar高纯氩气的石英管中，在850℃保温1h，然后快速水冷淬火。
进行高温He离子辐照实验，辐照条件为：550℃，辐照剂量为5×1016ions/cm2，真空度<1×10-3Pa。
如图3透射电镜显微图所示，He离子辐照后大量的氦泡，氦泡的密度和尺寸大于添加Au元素的铁素体钢，辐照肿胀率明显高于添加Au元素的铁素体钢。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种通过添加微量Au提高铁素体钢抗辐照性能的方法，其特征在于，利用过饱和固溶处理在铁素体基体中添加微量可移动的Au元素，通过富金相在辐照损伤位置的选择性偏析提高材料的抗辐照性能；所述铁素体钢的成分，各元素按质量百分比Au为1-4.5％，C为0.001-0.01％，Si为0.01-0.1％，余量为Fe；所述铁素体钢材料中可移动Au原子的添加和存储方法为真空熔炼含质量分数为1-4.5％wt.％Au的铁素体钢，并锻造、轧制成2mm厚的钢板，然后通过线切割制备样品并对材料进行抛光并用丙酮清洗；将合金封装在含200mbar高纯氩气的石英管中，在830～880℃保温1～6h，然后快速水冷淬火；线切割制备的样品尺寸为10mm×10mm×2mm；辐照条件为：550℃，辐照剂量为5×1016ions/cm2，真空度<1×10-3Pa；在辐照条件下所述铁素体钢基体中有大量纳米级富金相在辐照损伤位置析出，填充辐照缺陷并显著抑制辐照肿胀。
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