CN113430455B - 一种耐液态铅铋腐蚀的高强度奥氏体不锈钢及其制备方法 - Google Patents

一种耐液态铅铋腐蚀的高强度奥氏体不锈钢及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耐液态铅铋腐蚀的高强度奥氏体不锈钢及其制备方法，属于耐腐蚀合金材料领域。该不锈钢化学成分：C≤0.15％；Ni：7.0～11.0％；Cr：13.0～17.0％；Mn：0～2.0％；Si：1.0～4.0％；Nb≤1.0％；余Fe。本发明通过将液态铅铋溶解倾向高的Ni、Mn元素含量控制在一定水平以下，抑制溶解性腐蚀，同时借助Si元素的添加提高表面形成腐蚀层的致密性，以降低腐蚀层的生长速率，从而提高耐液态铅铋腐蚀性能。通过奥氏体/铁素体稳定元素含量的平衡设计以保证单一的奥氏体组织，同时借助Nb对C的稳定化以及弥散分布NbC对位错的钉轧，保证了良好的高温力学性能。

Description

一种耐液态铅铋腐蚀的高强度奥氏体不锈钢及其制备方法
技术领域：
本发明涉及耐腐蚀合金材料技术领域，具体涉及一种耐液态铅铋腐蚀的高强度奥氏体不锈钢及其制备方法。
背景技术：
铅铋共晶(LBE)合金具有优异的中子学性能、化学惰性、热物理性能、抗辐照性能等优点，被视为四代铅冷快堆冷却剂、ADS系统散裂靶及冷却剂的首选材料。高温、流动的液态铅铋合金会对结构材料产生极强的腐蚀作用，从而对反应堆的安全运行造成危害。奥氏体不锈钢由于其优良的室温和中高温力学性能、耐腐蚀性能、成形性能以及焊接工艺性能，被视为四代快堆反应堆容器和堆内构件的结构材料。然而，奥氏体不锈钢在液态Pb-Bi合金中服役会发生显著的溶解性腐蚀，限制了其在液态铅铋环境中的使用。这主要是由于Ni元素在液态Pb-Bi中的溶解度高，其溶解度比Fe、Cr等高3个数量级以上。Ni的溶解性腐蚀不仅会造成奥氏体基体力学性能的退化，而且由此引起的表面腐蚀层的破损或剥落从而阻塞流道。因此，基于奥氏体不锈钢的化学成分与微观组织控制以提高耐铅铋腐蚀性能是亟待解决的问题。
发明内容：
针对液态铅铋环境用奥氏体不锈钢的需求，本发明的目的是提供一种耐液态铅铋腐蚀的高强度奥氏体不锈钢及其制备方法，在提高耐液态铅铋腐蚀性能的同时，具有良好的高温力学性能。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种耐液态铅铋腐蚀的高强度奥氏体不锈钢，按重量百分比计，其化学成分如下：
C≤0.15％；Ni：7.0～11.0％；Cr：13.0～17.0％；Mn：0～2.0％；Si：1.0～4.0％；Nb≤1.0％；Fe及不可避免的残余元素为余量。
按重量百分比计，该合金优选的化学成分如下：
C：0.08～0.12％；Ni：8.0～10.0％；Cr：14.0～16.0％；Mn：0.4～0.8％；Si：2.2～3.0％；Nb：0.7～1.0％；；Fe及不可避免的残余元素为余量。
所述不可避免的残余元素包括：S含量控制在≤0.015wt.％，P含量控制在≤0.02wt.％。
根据公式(1)控制该不锈钢中铁素体/奥氏体稳定元素含量的平衡，公式(1)中的元素符号表示该元素的重量百分比；
Figure GDA0003574386940000021
该不锈钢按重量百分比计的化学成分中，Nb/C≥8。
所述耐液态铅铋腐蚀的高强度奥氏体不锈钢的制备方法为：首先按照合金成分配比称取原材料进行熔炼，并浇铸成铸锭；然后将铸锭进行锻造和轧制；最后将轧制后的板材进行热处理。
所述的熔炼方法为：电炉冶炼，或其他相当或更好的冶炼方法。
所述的锻造工艺为：铸锭在1100～1250℃保温1h以上进行开坯锻造，终锻温度在900℃以上。
所述的轧制工艺为：锻坯在1100～1250℃保温1h以上进行轧制，终锻温度在900℃以上，轧制变形量应控制在60％以上。
所述的热处理制度如下：
(1)在1050～1150℃进行固溶处理，保温30～60min后水冷至室温；
(2)在850～900℃进行稳定化处理，保温1～3h，空冷至室温。
本发明的设计思想如下：
本发明通过控制材料中液态铅铋溶解倾向高的Ni、Mn元素含量，以抑制溶解性腐蚀，同时借助Si元素的添加提高表面形成腐蚀层的致密性，以降低腐蚀层的生长速率，从而提高了耐液态铅铋腐蚀性能。在此基础上，通过奥氏体/铁素体稳定元素含量的平衡设计以保证单一的奥氏体组织，同时借助Nb对C的稳定化以及弥散分布NbC对位错的钉轧，保证了良好的高温力学性能。
本发明的优点及有益效果在于：
1、本发明的耐液态铅铋腐蚀的高强度奥氏体不锈钢，是在现有核电用奥氏体不锈钢的基础上提出新的合金设计方案，可同时满足对高强韧性、耐高温、耐液态铅铋腐蚀的性能要求。
2、本发明的耐液态铅铋腐蚀的高强度奥氏体不锈钢具有良好的耐液态铅铋腐蚀性能，550℃液态铅铋中的腐蚀速率显著低于316系列奥氏体不锈钢。
3、本发明的耐液态铅铋腐蚀的高强度奥氏体不锈钢，室温下的屈服强度大于250MPa，抗拉强度大于800MPa，延伸率大于40.0％，室温强度高于316系列奥氏体不锈钢。
4、本发明的耐液态铅铋腐蚀的高强度奥氏体不锈钢，550℃下的屈服强度大于165MPa，抗拉强度大于395MPa，延伸率大于30.0％，高温强度高于316系列奥氏体不锈钢。
5、本发明合金的制备方法简单，容易操作，便于工业化生产。
6、本发明合金的化学成分可推广应用于高性能铸件、锻件、管材的生产。
附图说明：
图1为实施例1制备耐液态铅铋腐蚀的高强度奥氏体不锈钢的金相照片。
图2为实施例1制备耐液态铅铋腐蚀的高强度奥氏体不锈钢在550℃饱和氧浓度液态铅铋中腐蚀1000h后的截面形貌照片(扫描电镜观察4000倍)。
图3为对比例316H奥氏体不锈钢在550℃饱和氧浓度液态铅铋中腐蚀1000h后的截面形貌照片(扫描电镜观察3000倍)。
具体实施方式：
下面通过实施例对本发明所述一种耐液态铅铋腐蚀的高强度奥氏体不锈钢及其制备方法予以进一步的说明。
实施例1：
采用真空感应炉熔炼合金，随后浇铸成铸锭，熔炼的5炉合金化学成分如表1所示。铸锭经表面扒皮处理后，锻造、轧制成板材，最后将板材进行热处理。
具体的制备工艺步骤如下：
1)熔炼：按照合金成分配比称取原材料，将配制的原料装入真空感应熔炼炉的坩埚中，在真空感应炉中熔炼，并浇铸成铸锭，待铸锭完全凝固后，开模取出；
2)锻造：将铸锭加热至1150℃，保温2h，迅速放置在锤锻机上锻造成板坯，然后空冷至室温，终锻温度在900℃以上。
3)轧制：将锻造后的板材加热至1150℃，保温2h，在二辊热轧机进行轧制成板材，然后空冷至室温，终轧温度在900℃以上。
4)热处理：将轧制后的板材进行固溶处理，在1100℃保温60min，水冷至室温；然后在900℃保温2h，空冷至室温。
制备板材的金相组织见图1，从图中可以看出，组织为单相奥氏体组织，基体中弥散分布着细小的NbC颗粒。
经550℃饱和氧浓度液态铅铋中腐蚀1000h后的截面形貌见图2，可见，本发明不锈钢表面生成了约10μm厚的腐蚀层。相同腐蚀条件，316H不锈钢表面形成了约28μm厚的腐蚀层(图3)。本发明不锈钢在液态铅铋中的腐蚀速率显著优于316H不锈钢。
经拉伸性能测试，室温下的屈服强度大于250MPa，抗拉强度大于800MPa，延伸率大于40.0％；550℃时的屈服强度大于165MPa，抗拉强度大于395MPa，延伸率大于30.0％。本发明不锈钢在室温和高温下的拉伸强度高于316H奥氏体不锈钢(见表2)。
表1合金化学成分(wt.％)
C Si Nb Ni Cr Mn P S
实施例1 0.088 2.52 0.94 9.07 15.04 0.61 0.007 0.0021
实施例2 0.12 2.54 0.82 9.12 15.18 0.61 0.006 0.0021
实施例3 0.11 2.21 0.90 9.07 15.11 0.61 0.006 0.0022
实施例4 0.11 2.81 0.79 9.02 15.10 0.61 0.007 0.0021
实施例5 0.11 2.62 0.93 8.96 15.1 0.61 0.011 0.0024
表2本发明合金与316H不锈钢的拉伸性能比较
Figure GDA0003574386940000051
实施例结果表明，本发明不锈钢的耐铅铋腐蚀性能和高温强度均高于现有核电用奥氏体不锈钢，可同时满足对高强韧性、耐高温、耐液态铅铋腐蚀的性能要求，可作为铅铋冷却核能系统的结构材料。

Claims (6)

1.一种耐液态铅铋腐蚀的高强度奥氏体不锈钢，其特征在于：按重量百分比计，该不锈钢的化学成分如下：
C：0.08~0.12%；Ni：8.0~10.0%；Cr：14.0~16.0%；Mn：0.4~0.8%；Si：2.2~3.0%；Nb：0.7~1.0%；余量为Fe及不可避免的残余元素；
根据公式（1）控制该不锈钢中铁素体/奥氏体稳定元素含量的平衡，公式（1）中的元素符号表示该元素的重量百分比；
Figure DEST_PATH_IMAGE002
（1）；
该不锈钢按重量百分比计的化学成分中，Nb/C≥8。
2.按照权利要求1所述的耐液态铅铋腐蚀的高强度奥氏体不锈钢，其特征在于：该不锈钢中不可避免的残余元素包括：S含量≤0.015wt.%，P含量≤0.020wt.%。
3.按照权利要求1所述的耐液态铅铋腐蚀的高强度奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于：首先按照合金成分配比称取原材料进行熔炼，并浇铸成铸锭；然后将铸锭进行锻造和轧制；最后将轧制后的板材进行热处理；其中：所述锻造工艺为：铸锭在1100~1250℃保温1h以上进行开坯锻造，终锻温度在900℃以上；所述轧制工艺为：在1100~1250℃保温1h以上进行轧制，终轧温度在900℃以上，轧制变形量应控制在60%以上。
4.按照权利要求3所述的耐液态铅铋腐蚀的高强度奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于：合金冶炼采用电炉冶炼。
5.按照权利要求3所述的耐液态铅铋腐蚀的高强度奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于：所述热处理制度如下：
（1）在1050～1150℃进行固溶处理，保温30~60min后水冷至室温；
（2）在850~900℃进行稳定化处理，保温1～3h，空冷至室温。
6.按照权利要求3所述的耐液态铅铋腐蚀的高强度奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于：热处理后，该不锈钢室温条件下的屈服强度大于250MPa，抗拉强度大于800MPa，延伸率大于40.0%；550℃时的屈服强度大于165MPa，抗拉强度大于395MPa，延伸率大于30.0%。
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