CN112695256A - 一种铁素体马氏体钢包壳材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于第四代铅铋冷却快堆结构材料技术领域，具体涉及一种铁素体马氏体钢包壳材料及其制备方法。本发明提供的一种铁素体马氏体钢包壳材料，该合金的成分包括：C：0.08～0.16wt％，Mn：0.30～0.8wt％，Si：0.50～1.20wt％，Cr：8.5～10.5wt％，W:1.0～2.5wt％，V:0.10～0.40wt％，Ta：0.10～0.40wt％，Zr：0.005～0.08wt％，La：0.005～0.05wt％，N：0.008～0.04wt％；其余为Fe和杂质。一种铁素体马氏体钢包壳材料制备方法，包括以下工艺步骤：(1)熔炼；(2)铸造；(3)锻造；(4)挤压；(5)管坯加工及热处理；(6)合金的多道次冷轧及中间热处理；(7)管材最终热处理。本发明通过创新性的成分设计、优化的管材加工形变工艺和热处理技术，改善材料微观组织，细化晶粒，从而提高合金的综合性能。
Description
技术领域
本发明属于第四代铅铋冷却快堆结构材料技术领域，具体涉及一种铁素体马氏体钢包壳材料及其制备方法。
背景技术
奥氏体不锈钢304和316因为具有良好的抗腐蚀性能和热蠕变性能，被用来作为钠冷快堆第一代包壳材料，但是当辐照剂量达到50dpa(displacements per atom)时它们会产生过度的肿胀，在一个潜伏周期后，每增加一个dpa奥氏体不锈钢的辐照肿胀速率为1％，通过添加稳定化元素以及引入冷加工可以减少材料服役过程中的辐照肿胀，如美国应用Ti作为稳定化元素、冷加工态的D9合金，法国使用的15-15Ti合金作为包壳材料已经达到了130dpa快中子辐照剂量，但是超过100dpa后这些钢都表现出不足的延展性，第四代铅铋冷却快堆为了达到了更高的燃耗，要求其包壳材料抗中子辐照剂量达到200dpa以上。
相对于奥氏体不锈钢，铁素体/马氏体钢因优秀的抗辐照肿胀性能(辐照肿胀速率0.2％dpa)被考虑作为首选的快堆第二代包壳材料。如EM12合金在法国PHENIX堆被作为包壳材料，在最高600–630℃温度下辐照剂量已达到120-130dpa；EP450合金(13％Cr–2Mo–Nb–P–B–V)在BN-350、BN-600、BOR60以及BR-10堆中作为包壳材料在最高温度680℃辐照剂量已达到180dpa；HT9合金(Cr12MoVA)在EBR-II和FFTF堆中作为包壳材料在运行温度600℃辐照剂量已达到200dpa；由于HT9合金中较高的C含量导致的δ铁素体的形成，低碳含量的9％Cr的T91合金在FFTF堆中已经达到208dpa的剂量，其表现出较好的抗辐照肿胀性能，其辐照肿胀速率为0.012％/dpa，比起HT9钢具有更好的蠕变性能。
综上，铁素体/马氏体钢(铁素体马氏体钢)具有出色的抗辐照肿胀性能、良好的强韧性配合、稳定的热物理性能及相对较好的抗高温氧化和腐蚀能力，因而成为铅铋冷快中子反应堆中燃料包壳和其它结构材料最有前景的候选材料之一。
然而，目前铅铋冷快堆设计运行温度500-650℃，冷却剂为铅铋共晶金属液体(LBE)，运行辐照剂量约50-150dpa之间，最高可达200dpa，将会产生10-500appmHe，最高可达1000appmHe。严苛的服役环境对包壳材料提出了非常高的性能要求，包壳不仅具有良好的高温组织稳定性与优异的高温力学性能，还需要具有抗高辐照损伤能力以及在铅铋金属溶液中的抗腐蚀能力。需要对目前商用的主要候选包壳材料铁素体马氏体钢进行成分优化和制备工艺改进，研制出具有高温稳定性、抗高温辐照损伤能力及进一步耐LBE腐蚀的金属包壳材料。
发明内容
本发明的目的在于研制设计一种铁素体马氏体钢包壳材料及其制备方法。
本发明的技术方案如下所述：
一种铁素体马氏体钢包壳材料，该合金的成分包括：
C：0.08～0.16wt％，Mn：0.30～0.8wt％，Si：0.50～1.20wt％，Cr：8.5～10.5wt％，W:1.0～2.5wt％，V:0.10～0.40wt％，Ta：0.10～0.40wt％，Zr：0.005～0.08wt％，La：0.005～0.05wt％，N：0.008～0.04wt％；其余为Fe和杂质。
进一步的，如上所述的一种铁素体马氏体钢包壳材料，合金中的C、N含量和Ta、V、Zr含量满足以下数量关系：
1.5倍(C+N)含量≤(Ta+V+Zr)含量≤3倍(C+N)含量。
进一步的，如上所述的一种铁素体马氏体钢包壳材料，合金中的杂质及其含量控制满足以下条件：S＜0.003wt％，P＜0.008wt％，B＜0.01wt％，O＜0.002wt％，H＜0.001wt％。
进一步的，如上所述的一种铁素体马氏体钢包壳材料，该合金中除杂质外，主成分为Fe-9Cr-1.5W-0.5Mn-0.12C-0.15Ta-0.2V-0.02N-0.01Zr-0.03La-0.6Si。
一种铁素体马氏体钢包壳材料制备方法，包括以下工艺步骤：
(1)熔炼
(1.1)进行熔炼合金的配料，按设计成分进行合金元素的配料；
(1.2)进行坩埚和模具的除气，将坩埚和铸造模具放置在真空高温干燥箱内加热、保温进行除气；
(1.3)将步骤(1.1)配好的原材料Fe、Cr、W装入坩埚中，将Si、Mn、V、Ta、Zr、La、CrN、电解石墨依次放入真空感应炉加料器中；
(1.4)关闭真空感应炉的炉门，抽真空至10-1Pa时，送电熔炼；
(1.5)待形成熔池且熔池中无其它未熔金属后依次加入Si、Mn、V、Ta、Zr、La、CrN、电解石墨；
(1.6)所有合金元素加完后进行均匀化处理；
(2)铸造
(2.1)控制真空感应熔炼温度和浇注温度在设定的温度区间，进行浇注；
(2.2)浇注完成后停电，待模具冷却后进行出炉；
(2.3)将步骤(2.2)得到的真空感应熔炼的铸锭表面扒皮、平端头制成自耗电极；
(2.4)制成的自耗电极装在真空自耗电弧炉阴极上，抽真空至10-1Pa，用氩气洗炉，再抽真空至10-2Pa，进行合金的真空自耗重熔；
(2.5)真空自耗重熔完成后停电，待坩埚冷却后进行铸锭出炉；
(2.6)对出炉后的铸锭切除冒口和底部，表面机加工扒皮至无气孔缺陷；
(3)锻造
(3.1)将步骤(2.6)得到的铸锭放入电阻炉加热；
(3.2)对铸锭进行锻造，控制终锻温度大于设定温度，锻造变形量大于设定变形量，将铸锻造成圆棒；
(4)挤压
(4.1)将步骤(3.2)得到的锻造后的圆棒通过锯床分切成长度为400mm～600mm、外径为175～205mm的棒坯；
(4.2)通过车床进行棒坯外表面扒皮；
(4.3)采用机加工的方式在棒坯中心钻通孔，得到挤压坯；
中间孔的直径与步骤(4.4)次挤压模具的挤压针尺寸匹配；
(4.4)采用环形炉将步骤(4.3)得到的挤压坯预热至设定温度；
(4.5)转移至感应炉中加热至设定温度；
(4.6)进行合金的挤压，将其挤压成外径为50～80mm，壁厚为5～8mm的管坯；
(5)管坯加工及热处理
(5.1)对步骤(4.6)得到的管坯进行热处理；
(5.2)对出炉的管坯开展内表面绗磨、外表面抛光加工；
(6)合金的多道次冷轧及中间热处理
采用轧机进行轧制，总共设计3～6道次轧制；
成品管材的尺寸是：外径为12mm，壁厚为0.8mm；
(7)管材最终热处理
对冷轧后的成品管材脱脂、清洗后进行正火+回火真空热处理。
进一步的，如上所述的一种铁素体马氏体钢包壳材料制备方法，步骤(1)中，将坩埚和铸造模具放置在真空高温干燥箱内加热至200℃～400℃，保温3h～12h进行除气；所有合金元素加完后进行时间不小于5min的均匀化处理；步骤(2)中，真空感应熔炼温度控制在1450℃～1650℃，浇注温度控制在1450℃～1600℃；步骤(3)中，电阻炉加热过程中控制装炉温度≤750℃，随炉升温至950℃～1150℃保温；终锻温度大于850℃，锻造变形量≥60％。
进一步的，如上所述的一种铁素体马氏体钢包壳材料制备方法，步骤(4)中，采用环形炉将步骤(4.3)得到的挤压坯预热至850℃～950℃；转移至感应炉中加热至1100℃～1200℃；在3500吨卧式挤压机上进行合金的挤压，采用玻璃涂层润滑方式，挤压比15～30，挤压速度控制在80mm/s～200mm/s；步骤(5)中，热处理工艺为700℃～900℃、保温30min～120min，保温结束后空冷；对出炉的管坯开展内表面绗磨、外表面抛光加工的具体参数控制量为：内表面壁厚单边加工去除量≥0.3mm，外表面抛光去除量≥0.1mm。
进一步的，如上所述的一种铁素体马氏体钢包壳材料制备方法，步骤(6)中，道次变形量由开坯轧制的35％～50％按轧制顺序依次增加到55％～75％；每道次轧制后的管材经过脱脂、清洗、矫直、抛光后进行中间热处理，以消除加工硬化现象，使金属的塑性恢复便于继续加工，中间热处理采用真空退火热处理制度，退火温度为650℃～850℃，保温30min～120min，然后空冷。
进一步的，如上所述的一种铁素体马氏体钢包壳材料制备方法，步骤(7)中，正火工艺为950℃～1100℃/30min～90min、充氩快冷，回火工艺为650℃～780℃/30min～120min、充氩快冷，充氩压力在100KPa以上。
本发明技术方案的有益效果是：
采用合金化元素(Ta、V及Zr等)弥散强化技术，控制Ta、V及Zr与C、N的比例，获得晶粒细化及MC型纳米析出相高密度弥散分布的组织结构，以进一步提升高温性能和抗中子辐照性能；
通过增加Si含量、去除Ni元素，促进材料表面生成保护性氧化层，提高材料抗液态LBE腐蚀性能；
降低Cr含量，采用W替代Mo对基体进行固溶强化，由于W的扩散速率慢生成的碳化物粗化速率减慢，可以进一步提高铁素体马氏体钢强度和降低韧脆转变温度(DBTT)；
加入微量的稀土元素La，净化晶界、细化晶粒；
通过优化的管材加工形变工艺和热处理技术，改善材料微观组织，细化晶粒，从而提高合金的综合性能。
附图说明
图1是本发明Fe-9Cr-1.5W-0.5Mn-0.12C-0.15Ta-0.2V-0.02N-0.01Zr-0.03La-0.6Si铁素体马氏体钢包壳材料中典型的M23C6粒子形貌示意图；
图2是本发明Fe-9Cr-1.5W-0.5Mn-0.12C-0.15Ta-0.2V-0.02N-0.01Zr-0.03La-0.6Si铁素体马氏体钢包壳材料中典型的M23C6粒子能谱结果图；
图3是本发明Fe-9Cr-1.5W-0.5Mn-0.12C-0.15Ta-0.2V-0.02N-0.01Zr-0.03La-0.6Si铁素体马氏体钢包壳材料中典型的MX相粒子形貌示意图；
图4是本发明Fe-9Cr-1.5W-0.5Mn-0.12C-0.15Ta-0.2V-0.02N-0.01Zr-0.03La-0.6Si铁素体马氏体钢包壳材料中典型的MX相粒子能谱结果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步描述。
由于现有的HT9、T91等具有优良的高温性能和抗中子辐照性能的铁素体马氏体钢的不能满足铅铋冷却快堆中的应用，因此需要提高铅铋冷却快堆用铁素体马氏体钢包壳材料的抗液态LBE(500-600℃)腐蚀性能。
尽管传统的科技文献中已经提出了采用合金化元素可以带来的各方面效果，但由于新材料的设计不只是简单的成分叠加，还涉及到各成分含量、形态之间的关系，制备工艺中各环节及参数的设置，这些都会对材料的性能带来直接的影响。而如何确定合金成分及制备方法，就是一项需要理论、试验及大量创造性工作结合的科技创新。本申请技术方案从材料成分与组织设计两方面开展工作：采用合金化元素(如Ta、V及Zr等)弥散强化技术获得细化晶粒及纳米析出相高密度弥散分布的组织结构，以进一步提升高温性能和抗中子辐照性能；通过加入适量Si促进材料表面保护性氧化层生成使材料获得抗液态LBE腐蚀“基因”；降低Cr含量，采用W替代Mo对基体进行固溶强化，进一步提高铁素体/马氏体钢强度和改善辐照诱导DBTT升高。在上述优化思路的基础上，采用“原子团簇理论”结合热力学计算，优化设计出综合性能优异的合金成分，并开展包壳管材的制备工艺研究，获得了一种综合性能优异、可用于铅铋冷却反应堆包壳材料的铁素体马氏体钢。
具体实施例如下：
一种铁素体马氏体钢包壳材料，该合金的成分包括：
C：0.08～0.16wt％，Mn：0.30～0.8wt％，Si：0.50～1.20wt％，Cr：8.5～10.5wt％，W:1.0～2.5wt％，V:0.10～0.40wt％，Ta：0.10～0.40wt％，Zr：0.005～0.08wt％，La：0.005～0.05wt％，N：0.008～0.04wt％；其余为Fe和杂质。
合金中的C、N含量和Ta、V、Zr含量满足以下数量关系：
1.5倍(C+N)含量≤(Ta+V+Zr)含量≤3倍(C+N)含量。
合金中的杂质及其含量控制满足以下条件：S＜0.003wt％，P＜0.008wt％，B＜0.01wt％，O＜0.002wt％，H＜0.001wt％。
作为进一步优化的技术方案，该合金中除杂质外，主成分为Fe-9Cr-1.5W-0.5Mn-0.12C-0.15Ta-0.2V-0.02N-0.01Zr-0.03La-0.6Si。
一种如上所述的铁素体马氏体钢包壳材料制备方法，包括以下工艺步骤：
(1)熔炼
(1.1)进行熔炼合金的配料，按设计成分进行合金元素的配料；
(1.2)进行坩埚和模具的除气，将坩埚和铸造模具放置在真空高温干燥箱内加热至200℃～400℃，保温3h～12h进行除气；
(1.3)将步骤(1.1)配好的原材料Fe、Cr、W装入坩埚中，将Si、Mn、V、Ta、Zr、La、CrN、电解石墨依次放入真空感应炉加料器中；
(1.4)关闭真空感应炉的炉门，抽真空至10-1Pa时，送电熔炼；
(1.5)待形成熔池且熔池中无其它未熔金属后依次加入Si、Mn、V、Ta、Zr、La、CrN、电解石墨；
(1.6)所有合金元素加完后进行时间不小于5min的均匀化处理；
(2)铸造
(2.1)控制真空感应熔炼温度和浇注温度在设定的温度区间，进行浇注；
在此实施例中，真空感应熔炼温度控制在1450℃～1650℃，浇注温度控制在1450℃～1600℃；
(2.2)浇注完成后停电，待模具冷却后进行出炉；
(2.3)将步骤(2.2)得到的真空感应熔炼的铸锭表面扒皮、平端头制成自耗电极；
(2.4)制成的自耗电极装在真空自耗电弧炉阴极上，抽真空至10-1Pa，用氩气洗炉，再抽真空至10-2Pa，进行合金的真空自耗重熔；
(2.5)真空自耗重熔完成后停电，待坩埚冷却后进行铸锭出炉；
(2.6)对出炉后的铸锭切除冒口和底部，表面机加工扒皮至无气孔缺陷；
(3)锻造
(3.1)将步骤(2.6)得到的铸锭放入电阻炉加热；
电阻炉加热过程中控制装炉温度≤750℃，随炉升温至950℃～1150℃保温；
(3.2)对铸锭进行锻造，控制终锻温度大于850℃，锻造变形量≥60％，将铸锻造成圆棒；
(4)挤压
(4.1)将步骤(3.2)得到的锻造后的圆棒通过锯床分切成长度为400mm～600mm、外径为175～205mm的棒坯；
(4.2)通过车床进行棒坯外表面扒皮；
(4.3)采用机加工的方式在棒坯中心钻通孔，得到挤压坯；
中间孔的直径与步骤(4.4)次挤压模具的挤压针尺寸匹配；
(4.4)采用环形炉将步骤(4.3)得到的挤压坯预热至850℃～950℃；
(4.5)转移至感应炉中加热至1100℃～1200℃；
(4.6)进行合金的挤压，将其挤压成外径为50～80mm，壁厚为5～8mm的管坯；
在此实施例中，挤压过程中的装置及参数具体是：在3500吨卧式挤压机上进行合金的挤压，采用玻璃涂层润滑方式，挤压比15～30，挤压速度控制在80mm/s～200mm/s；
(5)管坯加工及热处理
(5.1)对步骤(4.6)得到的管坯进行热处理；热处理工艺为700℃～900℃、保温30min～120min，保温结束后空冷；
(5.2)对出炉的管坯开展内表面绗磨、外表面抛光加工；
具体参数控制量为：内表面壁厚单边加工去除量≥0.3mm，外表面抛光去除量≥0.1mm；
(6)合金的多道次冷轧及中间热处理
采用轧机进行轧制，总共设计3～6道次轧制；
道次变形量由开坯轧制的35％～50％按轧制顺序依次增加到55％～75％；每道次轧制后的管材经过脱脂、清洗、矫直、抛光后进行中间热处理，以消除加工硬化现象，使金属的塑性恢复便于继续加工，中间热处理采用真空退火热处理制度，退火温度为650℃～850℃，保温30min～120min，然后空冷；
成品管材的尺寸是：外径为12mm，壁厚为0.8mm；
(7)管材最终热处理
对冷轧后的成品管材脱脂、清洗后进行正火+回火真空热处理。
正火工艺为950℃～1100℃/30min～90min、充氩快冷，回火工艺为650℃～780℃/30min～120min、充氩快冷，充氩压力在100KPa以上。
本发明中元素含量范围说明如下：
碳：碳是奥氏体稳定化元素，能提高高温强度，对δ铁素体的产生有明显的抑制作用，获得含碳过饱和的马氏体，为相变强化提供保障；另一方面与Cr、Fe、V、Ta等合金元素形成足够数量的M23C6和MX碳化物，钉扎位错、阻碍界面移动，具有良好的析出强化作用，使材料具有良好高温强度；但是碳元素含量过高会使铁素体马氏体钢中产生大量的M23C6第二相，M23C6第二相在长时高温(600-650℃)下容易粗化，降低韧性，破坏稳定性并损伤蠕变，降低材料耐蚀并加速辐照肿胀，容易在晶界析出，降低力学性能和焊接，脆性增加，降低钢的高温强度。综上，为了在高温下获得全奥氏体组织，通过正火获得马氏体组织为主的基体结构；同时尽量降低合金中的碳含量，形成细小弥散的M23C6和MX第二相，通过热力学计算，C含量控制在0.08～0.16％。
锰：锰是奥氏体稳定元素，可以显著降低奥氏体形成温度Ac1点和马氏体形成温度Ms点，提高合金钢的淬透性，抑制δ铁素体的形成；但是Mn含量的增加会加快的M6C增长速度，该相为较为粗大有害相，会消耗固溶强化元素W并导致其他重要析出相(M23C6和Laves相)的溶解，对钢的蠕变性能产生不利影响。综上，考虑到合金钢的淬透性以及蠕变性能，钢种的Mn含量控制在0.30～0.8％。
硅：硅元素具有很强的固溶强化效果，易在材料表面发生氧化形成致密、稳定的氧化层，从而提高材料的腐蚀抗力；此外，Si的添加可提高合金在一定辐照剂量、温度、损伤率下的抗辐照能力；但Si元素也会促进δ-铁素体的形成，过量添加对钢的力学性能尤其高温力学性能有影响。研究表明Cr、Si等元素易形成稳定的氧化物，从而提高材料的抗腐蚀性能；Cr和Si元素是形成耐腐蚀保护层的理想合金元素，在较低的氧分压条件下易于钝化形成如Cr2O3、SiO2，Fe(FexCr2x)O4和Fe(FexSi2x)O4等氧化物；此外，Cr和Si两者的协同作用可有效提高材料的抗高温氧化性。综上，为了获得良好的抗腐蚀性能、高温氧化性能和高温力学性能，钢种的硅含量控制在0.50～1.20％。
铬：作为铁素体马氏体钢中主要的合金元素对材料的影响主要表现在耐蚀性和抗氧化性方面，较高的Cr含量可以提高材料的耐腐蚀性能，但是在提高Cr含量降低腐蚀速率的同时钢的时效脆性会增加，随着辐照剂量的增加，带来DBTT增加。此外研究表明，铬含量过高的铁素体马氏体钢中容易形成δ-铁素体，降低材料的韧性。另外，Cr含量与辐照肿胀率有关。为了获得更好的抗辐照性能，降低辐照脆化现象，Cr含量控制在8.5～10.5％。
钨：钨在钢中主要起固溶强化的作用。W与碳的结合力强，且由于W的扩散速率慢生成的碳化物粗化速率减慢。随着W含量的增加，位错回复及马氏体板条结构粗化的速度减缓，但当钨含量超过3wt.％时，短时蠕变断裂强度趋于饱和，而且长时蠕变强度下降；此外W还是提高铁素体马氏体钢强度和降低韧脆转变温度的重要元素；但是在添加4wt.％W含量的钢中发现在奥氏体过程中有δ-铁素体的形成。综合考虑W含量控制在1.0～2.5％。
钒：钒作为强碳化物形成元素，可与碳形成富钒的碳化物且在基体中细小弥散分布，可提高材料的蠕变强度；但是在长时间高温高辐照条件下碳化物颗粒发生粗化现象，会造成强化效果减小。铁素体马氏体钢中Cr含量高，将会增加V进入基体的机会，从而降低钢的长时蠕变性能；添加过多的V元素会导致形成δ铁素体，使高温拉伸强度降低，在650℃下的蠕变性能下降；同时过量的V会分布在基体中，增加铁晶格点阵畸变，在提高强度的同时使热稳定性降低，因此V应以稳定碳氮化物的形式析出来提高钢的回火抗力和长时蠕变断裂强度。综合考虑W含量控制在0.10～0.40％。
钽：Ta与V复合添加可起到相同的效果，同时Ta的加入对钢的抗辐照脆化性能有明显的改善；钽(Ta)与钢中的C、N可形成碳氮化物，这些析出相可以阻碍位错的运动，稳定马氏体板条结构，从而对基体起到了一定的强韧化作用；Ta还能改善钢的韧脆转变温度(DBTT)。综上，为了形成大量弥散碳化物，控制晶粒生长，细化晶粒，提高材料强度和韧性，Ta的含量控制在0.10-0.40％。
锆：研究表明铁素体马氏体钢种添加微量的Zr能够显著降低DBTT，并提高合金高温蠕变寿命；此外，Zr也是晶界净化元素，Zr的加入能吸附晶界杂质元素，提高晶界稳定性，进一步改善合金力学性能。综上，Zr的含量控制在0.005～0.08％。
镧：La作为稀土元素，微量La的加入可以净化钢液及细化晶粒作用，提高材料的综合力学性能和抗腐蚀性能。综上，La的含量控制在0.005～0.05％。
氮：氮常被作为微量元素添加于钢中，可在α-Fe中微量间隙固溶，并可与Ta、Nb、V等形成氮化物(有些氮还可被碳置换形成碳氮化物，比碳化物具有更强的稳定性)，提供弥散强化的作用。但是N超过0.05wt.％时会导致材料的延展性和韧性降低，所以对N含量要进行控制。综上，N的含量控制在0.008～0.04％。
经过对本申请技术方案进行试验，并对试验数据进行分析，可知：
(1)Fe-9Cr-1.5W-0.5Mn-0.12C-0.15Ta-0.2V-0.02N-0.01Zr-0.03La-0.6Si的铁素体马氏体钢室温抗拉强度达到800MPa，屈服强度达到650MPa，延伸率达到15％以上。
(2)Fe-9Cr-1.5W-0.5Mn-0.12C-0.15Ta-0.2V-0.02N-0.01Zr-0.03La-0.6Si的铁素体马氏体钢在550℃高温蠕变性能与T91不锈钢相当，优于15-15Ti、HT9等不锈钢。
(3)Fe-9Cr-1.5W-0.5Mn-0.12C-0.15Ta-0.2V-0.02N-0.01Zr-0.03La-0.6Si的铁素体马氏体钢在550℃铅铋共晶合金(LBE)中抗腐蚀性能，优于15-15Ti、HT9等不锈钢。
(4)Fe-9Cr-1.5W-0.5Mn-0.12C-0.15Ta-0.2V-0.02N-0.01Zr-0.03La-0.6Si的铁素体马氏体钢晶粒细小、晶内钉扎有微小的碳化物颗粒，可以有效的抑制辐照产生的空洞的迁移和聚集，从而抑制辐照肿胀，通过质子模拟辐照，其抗肿胀性能与HT9相当，优于15-15Ti。
上面结合实施例对本发明的实施方法作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明说明书中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。
Claims (10)
1.一种铁素体马氏体钢包壳材料，其特征在于：该合金的成分包括：
C：0.08～0.16wt％，Mn：0.30～0.8wt％，Si：0.50～1.20wt％，Cr：8.5～10.5wt％，W:1.0～2.5wt％，V:0.10～0.40wt％，Ta：0.10～0.40wt％，Zr：0.005～0.08wt％，La：0.005～0.05wt％，N：0.008～0.04wt％；其余为Fe和杂质。
2.如权利要求1所述的一种铁素体马氏体钢包壳材料，其特征在于：合金中的C、N含量和Ta、V、Zr含量满足以下数量关系：
1.5倍(C+N)含量≤(Ta+V+Zr)含量≤3倍(C+N)含量。
3.如权利要求2所述的一种铁素体马氏体钢包壳材料，其特征在于：合金中的杂质及其含量控制满足以下条件：S＜0.003wt％，P＜0.008wt％，B＜0.01wt％，O＜0.002wt％，H＜0.001wt％。
4.如权利要求1所述的一种铁素体马氏体钢包壳材料，其特征在于：该合金中除杂质外，主成分为Fe-9Cr-1.5W-0.5Mn-0.12C-0.15Ta-0.2V-0.02N-0.01Zr-0.03La-0.6Si。
5.一种如权利要求1-4所述的铁素体马氏体钢包壳材料制备方法，其特征在于：包括以下工艺步骤：
(1)熔炼
(1.1)进行熔炼合金的配料，按设计成分进行合金元素的配料；
(1.2)进行坩埚和模具的除气，将坩埚和铸造模具放置在真空高温干燥箱内加热、保温进行除气；
(1.3)将步骤(1.1)配好的原材料Fe、Cr、W装入坩埚中，将Si、Mn、V、Ta、Zr、La、CrN、电解石墨依次放入真空感应炉加料器中；
(1.4)关闭真空感应炉的炉门，抽真空至10-1Pa时，送电熔炼；
(1.5)待形成熔池且熔池中无其它未熔金属后依次加入Si、Mn、V、Ta、Zr、La、CrN、电解石墨；
(1.6)所有合金元素加完后进行均匀化处理；
(2)铸造
(2.1)控制真空感应熔炼温度和浇注温度在设定的温度区间，进行浇注；
(2.2)浇注完成后停电，待模具冷却后进行出炉；
(2.3)将步骤(2.2)得到的真空感应熔炼的铸锭表面扒皮、平端头制成自耗电极；
(2.4)制成的自耗电极装在真空自耗电弧炉阴极上，抽真空至10-1Pa，用氩气洗炉，再抽真空至10-2Pa，进行合金的真空自耗重熔；
(2.5)真空自耗重熔完成后停电，待坩埚冷却后进行铸锭出炉；
(2.6)对出炉后的铸锭切除冒口和底部，表面机加工扒皮至无气孔缺陷；
(3)锻造
(3.1)将步骤(2.6)得到的铸锭放入电阻炉加热；
(3.2)对铸锭进行锻造，控制终锻温度大于设定温度，锻造变形量大于设定变形量，将铸锻造成圆棒；
(4)挤压
(4.1)将步骤(3.2)得到的锻造后的圆棒通过锯床分切成长度为400mm～600mm、外径为175～205mm的棒坯；
(4.2)通过车床进行棒坯外表面扒皮；
(4.3)采用机加工的方式在棒坯中心钻通孔，得到挤压坯；
中间孔的直径与步骤(4.4)次挤压模具的挤压针尺寸匹配；
(4.4)采用环形炉将步骤(4.3)得到的挤压坯预热至设定温度；
(4.5)转移至感应炉中加热至设定温度；
(4.6)进行合金的挤压，将其挤压成外径为50～80mm，壁厚为5～8mm的管坯；
(5)管坯加工及热处理
(5.1)对步骤(4.6)得到的管坯进行热处理；
(5.2)对出炉的管坯开展内表面绗磨、外表面抛光加工；
(6)合金的多道次冷轧及中间热处理
采用轧机进行轧制，总共设计3～6道次轧制；
成品管材的尺寸是：外径为12mm，壁厚为0.8mm；
(7)管材最终热处理
对冷轧后的成品管材脱脂、清洗后进行正火+回火真空热处理。
6.如权利要求5所述的一种铁素体马氏体钢包壳材料制备方法，其特征在于：步骤(1)中，将坩埚和铸造模具放置在真空高温干燥箱内加热至200℃～400℃，保温3h～12h进行除气；所有合金元素加完后进行时间不小于5min的均匀化处理；步骤(2)中，真空感应熔炼温度控制在1450℃～1650℃，浇注温度控制在1450℃～1600℃；步骤(3)中，电阻炉加热过程中控制装炉温度≤750℃，随炉升温至950℃～1150℃保温；终锻温度大于850℃，锻造变形量≥60％。
7.如权利要求5所述的一种铁素体马氏体钢包壳材料制备方法，其特征在于：步骤(4)中，采用环形炉将步骤(4.3)得到的挤压坯预热至850℃～950℃；转移至感应炉中加热至1100℃～1200℃；在3500吨卧式挤压机上进行合金的挤压，采用玻璃涂层润滑方式，挤压比15～30，挤压速度控制在80mm/s～200mm/s；步骤(5)中，热处理工艺为700℃～900℃、保温30min～120min，保温结束后空冷；对出炉的管坯开展内表面绗磨、外表面抛光加工的具体参数控制量为：内表面壁厚单边加工去除量≥0.3mm，外表面抛光去除量≥0.1mm。
8.如权利要求5所述的一种铁素体马氏体钢包壳材料制备方法，其特征在于：步骤(6)中，道次变形量由开坯轧制的35％～50％按轧制顺序依次增加到55％～75％；每道次轧制后的管材经过脱脂、清洗、矫直、抛光后进行中间热处理，以消除加工硬化现象，使金属的塑性恢复便于继续加工，中间热处理采用真空退火热处理制度，退火温度为650℃～850℃，保温30min～120min，然后空冷。
9.如权利要求5所述的一种铁素体马氏体钢包壳材料制备方法，其特征在于：步骤(7)中，正火工艺为950℃～1100℃/30min～90min、充氩快冷，回火工艺为650℃～780℃/30min～120min、充氩快冷，充氩压力在100KPa以上。
10.如权利要求5所述的一种铁素体马氏体钢包壳材料制备方法，其特征在于：步骤(1)中，将坩埚和铸造模具放置在真空高温干燥箱内加热至200℃～400℃，保温3h～12h进行除气；所有合金元素加完后进行时间不小于5min的均匀化处理；步骤(2)中，真空感应熔炼温度控制在1450℃～1650℃，浇注温度控制在1450℃～1600℃；步骤(3)中，电阻炉加热过程中控制装炉温度≤750℃，随炉升温至950℃～1150℃保温；终锻温度大于850℃，锻造变形量≥60％；
步骤(4)中，采用环形炉将步骤(4.3)得到的挤压坯预热至850℃～950℃；转移至感应炉中加热至1100℃～1200℃；在3500吨卧式挤压机上进行合金的挤压，采用玻璃涂层润滑方式，挤压比15～30，挤压速度控制在80mm/s～200mm/s；步骤(5)中，热处理工艺为700℃～900℃、保温30min～120min，保温结束后空冷；对出炉的管坯开展内表面绗磨、外表面抛光加工的具体参数控制量为：内表面壁厚单边加工去除量≥0.3mm，外表面抛光去除量≥0.1mm；
步骤(6)中，道次变形量由开坯轧制的35％～50％按轧制顺序依次增加到55％～75％；每道次轧制后的管材经过脱脂、清洗、矫直、抛光后进行中间热处理，以消除加工硬化现象，使金属的塑性恢复便于继续加工，中间热处理采用真空退火热处理制度，退火温度为650℃～850℃，保温30min～120min，然后空冷；
步骤(7)中，正火工艺为950℃～1100℃/30min～90min、充氩快冷，回火工艺为650℃～780℃/30min～120min、充氩快冷，充氩压力在100KPa以上。
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