CN109355558A - 奥氏体不锈钢及其制备方法、应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种奥氏体不锈钢及其制备方法、应用，奥氏体不锈钢包括以下质量百分比的成分：C 0.04‑0.08％、Cr 16.5‑20.0％、Ni 14.5‑16.5％、Si 1.0‑3.0％、Mn 1.5‑3.0％、Ti 0.2‑0.5％、Mo 1.3‑2.5％、B 0.003‑0.004％，余量为Fe。本发明的奥氏体不锈钢，具有更高的室温和中温拉伸强度，塑性优良；中温时效处理后合金强度升高，塑性无明显降低，无有害相析出，组织稳定性良好；具有优异的耐铅和铅铋液态金属腐蚀性能及抗辐照性能，能够更好的满足铅基快堆关键部件的选材需求。

Description

奥氏体不锈钢及其制备方法、应用

技术领域

本发明涉及核燃料技术领域，尤其涉及一种奥氏体不锈钢及其制备方法、应用。

背景技术

铅基反应堆是第四代核能系统的参考堆型之一，也是ADS的首选参考堆型。根据第四代核能系统国际论坛组织(GIF)最新发布的“第四代核能系统技术路线图”，在所有第四代核能系统中，铅冷快堆有望成为率先实现工业示范和商业应用的核能系统。鉴于铅基反应堆技术成熟性好、特性优良并且在聚变和裂变领域的应用潜力巨大，国际上也在积极开展大量的铅基反应堆工程项目，包括俄罗斯的SVBR-100和BREST-OD-300项目、比利时的MYRRHA ADS项目和欧盟的ELFR与ALFRED项目。此外，美国、日本和韩国也在积极开展铅基反应堆的关键技术与模块化铅基反应堆的应用开发。

燃料组件是铅基反应堆最为核心的部件之一，工作环境苛刻。因燃料组件与液态铅基冷却剂直接接触，这就要求燃料组件结构材料不仅要耐高温、抗辐照，还应具有优异的抗液态金属腐蚀性能。目前世界上铅冷快堆燃料组件结构材料主要为两种，一种为以T91为代表的马氏体钢，另一种为15Cr-15Ni系列含Ti奥氏体不锈钢。马氏体钢虽然在强辐照环境下具有几何稳定性，抗辐照剂量可达200dpa以上，但其存在高温强度低、液态铅铋腐蚀脆化、辐照DBTT上升、焊接困难等问题，技术改进难度大且可借鉴经验较少。15-15Ti奥氏体不锈钢组织稳定性好、加工性能优异、使用温度高、抗辐照损伤剂量最大可达150dpa，具有良好的应用前景。但目前15-15Ti合金的应用经验大多来自于钠冷快堆。与钠冷快堆相比，铅基快堆所用的冷却剂(铅和铅铋共晶合金)具有更强的腐蚀性。因此，若作为铅基快堆包壳管材料，15-15Ti合金的耐液态金属腐蚀性能还需进行进一步的优化和提高。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种高强、耐铅和铅铋液态金属腐蚀的奥氏体不锈钢及其制备方法、应用。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种奥氏体不锈钢，包括以下质量百分比的成分：C 0.04-0.08％、Cr 16.5-20.0％、Ni 14.5-16.5％、Si 1.0-3.0％、Mn1.5-3.0％、Ti 0.2-0.5％、Mo 1.3-2.5％、B 0.003-0.004％，余量为Fe。

优选地，所述Ti和C的质量比为4-6。

优选地，所述奥氏体不锈钢还包括杂质；所述杂质中，Al的质量百分比≤0.05％，Co的质量百分比≤0.02％，P的质量百分比≤0.01％，N的质量百分比≤0.006％，S的质量百分比≤0.0015％，O的质量百分比≤0.0015％。

本发明还提供一种奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将奥氏体不锈钢的原料通过真空感应熔炼和真空电弧自耗重熔，获得自耗重熔铸锭；

S2、将自耗重熔铸锭采用锻造方式进行铸锭开坯，获得合金锻锭，即为奥氏体不锈钢。

优选地，步骤S1包括以下步骤：

S1.1、选择多晶硅、镍板、纯铁、金属钼条、金属铬、碳、硼铁合金、金属锰和海绵钛作为原料；

S1.2、真空感应熔炼：将多晶硅、镍板、纯铁、金属钼条和金属铬装入真空感应炉的坩埚中，合炉抽真空并送电加热，精炼；精炼结束后加入碳及硼铁合金，全部熔化形成钢液后停止送电；炉内通入氩气后，重新送电，加入金属锰和海绵钛，搅拌均匀后调整钢液温度向锭模内浇注，锭模冷却后脱模，获得合金铸锭初体；

S1.3、真空电弧自耗重熔：将所述合金铸锭初体的缩孔部分切除后，作为重熔电极在自耗炉内进行二次熔炼，得到自耗重熔铸锭。

优选地，所述硼铁合金中硼元素的质量百分比为15-20％。

优选地，步骤S1.2中，原料装炉时，将占原料总量1％的多晶硅装入真空感应炉的坩埚中，剩余的多晶硅在精炼结束后加入。

优选地，步骤S1.2中，原料装炉时，将多晶硅放置在坩埚底部，镍板与纯铁立于坩埚边缘，金属钼条和金属铬放置于坩埚剩余空间内。

优选地，步骤S1.2中，精炼时，真空度≤5.0Pa，精炼温度为1450-1500℃；

炉内加入金属锰和海绵钛时通入氩气的流量为0.03-0.05MPa，炉内温度为1470-1500℃；

浇注温度为1480-1520℃。

优选地，步骤S2包括以下步骤：

S2.1、高温固溶处理：将步骤S1获得的自耗重熔铸锭入炉后升温至1190-1210℃，保温10-12h；

S2.2、多次墩拔变形：高温固溶处理后的自耗重熔铸锭先墩粗35-45％，再拔回原长，重复3-4次，最终锻造成形，冷却后获得合金锻锭。

优选地，步骤S2.1中，所述自耗重熔铸锭入炉前，对其进行表面扒皮、头尾定切和铸锭切分，自耗重熔铸锭的高径比不大于2。

本发明还提供一种奥氏体不锈钢的应用，将所述奥氏体不锈钢加工为薄壁管材或板材。

本发明还提供另一种奥氏体不锈钢的应用，将所述奥氏体不锈钢加工为包壳管或外套管。

本发明的奥氏体不锈钢，具有更高的室温和中温拉伸强度，塑性优良；中温时效处理后合金强度升高，塑性无明显降低，无有害相析出，组织稳定性良好；具有优异的耐铅和铅铋液态金属腐蚀性能及抗辐照性能(耐中子辐照肿胀性能)，能够更好的满足铅基快堆关键部件的选材需求。

本发明的奥氏体不锈钢的制备采用真空感应熔炼+真空电弧自耗重熔的双联冶炼工艺，能够更加准确地控制其中化学元素含量，更好的降低杂质元素含量、去除夹杂物，提高合金的组织均匀性与冷热加工性能。

另外，通过采用Si脱氧工艺，能够显著降低合金的氧含量，并准确控制Ti、C、Mn等合金元素含量；采用高温固溶处理+多次墩拔变形的方法进行锻造，确保消除铸锭凝固偏析，获得无条带组织、无宏观缺陷的优良变形组织。

具体实施方式

本发明的奥氏体不锈钢，包括以下质量百分比的成分：C(碳)0.04-0.08％、Cr(铬)16.5-20.0％、Ni(镍)14.5-16.5％、Si(硅)1.0-3.0％、Mn(锰)1.5-3.0％、Ti(钛)0.2-0.5％、Mo(钼)1.3-2.5％、B(硼)0.003-0.004％，余量为Fe。

其中，Ti和C的质量比为4-6。

奥氏体不锈钢中还不可避免的包括杂质，控制杂质含量不超出预设质量百分比。杂质中，控制Al(铝)的质量百分比≤0.05％，Co(钴)的质量百分比≤0.02％，P(磷)的质量百分比≤0.01％，N(氮)的质量百分比≤0.006％，S(硫)的质量百分比≤0.0015％，O(氧)的质量百分比≤0.0015％。

本发明的奥氏体不锈钢的制备方法，可采用真空感应熔炼和真空电弧自耗重熔工艺获得自耗重熔铸锭，再采用锻造的方式进行铸锭开坯后获得。

具体的，该制备方法可包括以下步骤：

S1、将奥氏体不锈钢的原料通过真空感应熔炼和真空电弧自耗重熔，获得自耗重熔铸锭。

步骤S1进一步可包括以下步骤：

S1.1、选择多晶硅、镍板、纯铁、金属钼条、金属铬、碳、硼铁合金、金属锰和海绵钛作为原料。其中，硼铁合金中硼元素的质量百分比为15-20％。

根据奥氏体不锈钢中各成分的含量称取各原料。

S1.2、真空感应熔炼：将多晶硅、镍板、纯铁、金属钼条和金属铬装入真空感应炉的坩埚中，合炉抽真空并送电加热，达到所需温度和真空度后，精炼20-40min；精炼结束后加入碳及硼铁合金，全部熔化形成钢液后停止送电；炉内通入氩气后，重新送电，加入金属锰和海绵钛，搅拌均匀后调整钢液温度向锭模内浇注，锭模冷却后脱模，获得合金铸锭初体。

在原料装炉时，将多晶硅放置在坩埚底部，以使用Si参与脱氧反应，满足O含量≤0.0015％的要求；镍板与纯铁立于坩埚边缘，金属钼条和金属铬放置于坩埚剩余空间内。

在真空感应炉内进行精炼时，真空度≤5.0Pa，精炼温度为1450-1500℃。

炉内加入金属锰和海绵钛时通入氩气的流量为0.03-0.05MPa，炉内温度为1470-1500℃，在该温度下加入金属锰和海绵钛。

在加入金属锰和海绵钛后，搅拌均匀后调整钢液温度为1480-1520℃，向锭模内浇注，使得浇注温度为1480-1520℃。

另外，该步骤S1.2中，在原料装炉时，根据奥氏体不锈钢中硅含量(1.0-3.0％)的原料装炉有所不同。在硅含量为1％时，装炉时将所有多晶硅与镍板、纯铁、金属钼条和金属铬装入真空感应炉的坩埚中进行精炼；在硅含量大于1％时，装炉时将占原料总量1％的多晶硅装入真空感应炉的坩埚中，与镍板、纯铁、金属钼条和金属铬装入真空感应炉的坩埚中进行精炼，剩余的多晶硅在精炼结束后与碳、硼铁合金一同加入进行熔化形成钢液。

S1.3、真空电弧自耗重熔：将步骤S1.2制得的合金铸锭初体的缩孔部分切除后，作为重熔电极在自耗炉内进行二次熔炼，得到自耗重熔铸锭。

缩孔部分切除50-80mm。

S2、将自耗重熔铸锭采用锻造方式进行铸锭开坯，获得合金锻锭，即为奥氏体不锈钢。

步骤S2进一步包括以下步骤：

S2.1、高温固溶处理：将步骤S1获得的自耗重熔铸锭入炉(保温炉)后升温至1190-1210℃，保温10-12h，消除铸锭偏析，以获得均匀的变形组织。

在自耗重熔铸锭入炉前，对其进行表面扒皮、头尾定切和铸锭切分，为保证锻造变形效率，自耗重熔铸锭的高径比不大于2。

S2.2、多次墩拔变形：高温固溶处理后的自耗重熔铸锭先墩粗35-45％，再拔回原长，重复3-4次，以将铸锭组织充分变形破碎，最终锻造成形，冷却(空气冷却)后获得合金锻锭。

经过上述的熔炼、锻造等步骤后获得的合金锻锭，其满足S含量≤0.0015％，O含量≤0.0015％，A、B、C、D类非金属夹杂物不大于0.5级，TiN夹杂不大于1.0级。

本发明的奥氏体不锈钢，可用于铅基反应堆，具体可用于铅基反应堆中燃料组件的包壳管、外套管等。

本发明的奥氏体不锈钢中，为提高合金的耐铅和铅铋共晶液态金属腐蚀性能，通过添加Cr和Si协同作为外氧化元素。在液态金属氧化环境中，Cr和Si向合金表层扩散，富集于氧化膜中，甚至形成FeCr尖晶石和SiO2，提高氧化膜致密度，阻止液态金属向内渗透和Ni向外扩散，增强合金耐液态金属腐蚀性能。

为提高奥氏体不锈钢的室温强度和中温强度，其中添加Cr、Si作为固溶强化元素，添加Mo作为碳化物稳定元素，添加Mn作为组织稳定化元素，多种合金元素协同作用实现强化。Cr、Si元素可引发晶格畸变，实现固溶强化，同时Cr、Si元素还可降低合金层错能，增加合金变形孪生比例，提高合金加工硬化指数。Mo作为碳化物稳定元素，可参与碳化物的形成，抑制碳化物分解，提高合金的蠕变与持久性能。Mn作为奥氏体形成元素，可稳定合金的单相奥氏体基体，并提高合金的拉伸塑性。

为提高提高奥氏体不锈钢的耐中子辐照性能，其中添加Si作为抗辐照元素，同时控制Ti与C的质量比为4-6，其中Ti含量0.2-0.5％。Si元素的加入可降低合金抗辐照性能对游离Ti元素的需求，合金可采用较低Ti/C比，在获得较好抗辐照性能的同时具有良好的高温持久性能。

为使提高奥氏体不锈钢具有良好的性能稳定性与冷热加工性能，其中的杂质元素S、P、B、O等均严格控制。

本发明的奥氏体不锈钢具备如下特征：

1、金相组织

锻锭头尾晶粒呈等轴状，晶粒度不低于3.0级且分布均匀，不含有明显的条带状碳化物和细晶带组织，铁素体含量低于2％，不存在“σ”相，晶界无连续析出碳化物；锻锭表面不存在可见裂纹，横截面低倍组织检查不存在可见缺陷；锻锭夹杂物含量满足表1。

表1.锻锭夹杂物级别要求

2、力学性能

锻锭经多道次冷变形与中间退火，最终保留17-23％的冷变形量，合金(奥氏体不锈钢)在室温、450℃和550℃的力学性能满足表2要求。

表2.预变形态奥氏体不锈钢拉伸力学性能要求

在应用方面，本发明的奥氏体不锈钢，可通过多道次的冷轧和退火处理，加工为薄壁管或板材。

进一步地，将本发明的奥氏体不锈钢加工为包壳管，用于燃料棒；或者，加工为外套管，用于快堆。

以下通过具体实施例对本发明作进一步说明。

采用上述的制备方法制得了三个35-50kg合金铸锭(实施例1-实施例3)，真空感应熔炼采用Si脱氧工艺，精炼温度、时长、真空度如表3所示。3个合金铸锭经高温固溶处理及多次墩拔变形的工艺锻造成形，具体锻造变形参数如表4所示。实施例1-3最终获得的奥氏体不锈钢的化学成分如表5所示。

表3.采用真空感应炉熔炼实施例1-3合金的精炼参数

表4.实施例1-3合金锻造变形工艺参数

表5.实施例1-3获得的奥氏体不锈钢的化学成分(％)

将实施例1-3的奥氏体不锈钢经多道冷轧变形与中间退火处理，最终保留20％的冷变形量，各实施例的室温、450℃和550℃拉伸性能如表6所示。三个实施例的奥氏体不锈钢成分均具有较高的强度和良好的塑性，满足本发明的性能要求。

表6.实施例1-3的奥氏体不锈钢的室温与中温拉伸性能

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (13)

1.一种奥氏体不锈钢，其特征在于，包括以下质量百分比的成分：C 0.04-0.08%、Cr16.5-20.0%、Ni 14.5-16.5%、Si 1.0-3.0%、Mn 1.5-3.0%、Ti 0.2-0.5%、Mo 1.3-2.5%、B0.003-0.004%，余量为Fe。

2.根据权利要求1所述的奥氏体不锈钢，其特征在于，所述Ti和C的质量比为4-6。

3.根据权利要求1所述的奥氏体不锈钢，其特征在于，所述奥氏体不锈钢还包括杂质；所述杂质中，Al的质量百分比≤0.05%，Co的质量百分比≤0.02%，P的质量百分比≤0.01%，N的质量百分比≤0.006%，S的质量百分比≤0.0015%，O的质量百分比≤0.0015%。

4.一种权利要求1-3任一项所述的奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将奥氏体不锈钢的原料通过真空感应熔炼和真空电弧自耗重熔，获得自耗重熔铸锭；

S2、将自耗重熔铸锭采用锻造方式进行铸锭开坯，获得合金锻锭，即为奥氏体不锈钢。

5.根据权利要求4所述的奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于，步骤S1包括以下步骤：

S1.1、选择多晶硅、镍板、纯铁、金属钼条、金属铬、碳、硼铁合金、金属锰和海绵钛作为原料；

S1.2、真空感应熔炼：将多晶硅、镍板、纯铁、金属钼条和金属铬装入真空感应炉的坩埚中，合炉抽真空并送电加热，精炼；精炼结束后加入碳及硼铁合金，全部熔化形成钢液后停止送电；炉内通入氩气后，重新送电，加入金属锰和海绵钛，搅拌均匀后调整钢液温度向锭模内浇注，锭模冷却后脱模，获得合金铸锭初体；

S1.3、真空电弧自耗重熔：将所述合金铸锭初体的缩孔部分切除后，作为重熔电极在自耗炉内进行二次熔炼，得到自耗重熔铸锭。

6.根据权利要求5所述的奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于，所述硼铁合金中硼元素的质量百分比为15-20%。

7.根据权利要求5所述的奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于，步骤S1.2中，原料装炉时，将占原料总量1%的多晶硅装入真空感应炉的坩埚中，剩余的多晶硅在精炼结束后加入。

8.根据权利要求5所述的奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于，步骤S1.2中，原料装炉时，将多晶硅放置在坩埚底部，镍板与纯铁立于坩埚边缘，金属钼条和金属铬放置于坩埚剩余空间内。

9.根据权利要求5所述的奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于，步骤S1.2中，精炼时，真空度≤5.0Pa，精炼温度为1450-1500℃；

炉内加入金属锰和海绵钛时通入氩气的流量为0.03-0.05MPa，炉内温度为1470-1500℃；

浇注温度为1480-1520℃。

10.根据权利要求4所述的奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于，步骤S2包括以下步骤：

S2.1、高温固溶处理：将步骤S1获得的自耗重熔铸锭入炉后升温至1190-1210℃，保温10-12h；

S2.2、多次墩拔变形：高温固溶处理后的自耗重熔铸锭先墩粗35-45%，再拔回原长，重复3-4次，最终锻造成形，冷却后获得合金锻锭。

11.根据权利要求10所述的奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于，步骤S2.1中，所述自耗重熔铸锭入炉前，对其进行表面扒皮、头尾定切和铸锭切分，自耗重熔铸锭的高径比不大于2。

12.一种权利要求1-3任一项所述的奥氏体不锈钢的应用，其特征在于，将所述奥氏体不锈钢加工为薄壁管材或板材。

13.一种权利要求1-3任一项所述的奥氏体不锈钢的应用，其特征在于，将所述奥氏体不锈钢加工为包壳管或外套管。