CN113528979B

CN113528979B - 一种成分优化的高强度rafm钢及其热处理工艺

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Publication number: CN113528979B
Application number: CN202010314844.9A
Authority: CN
Inventors: 黄雪飞; 王辉; 何豪; 黄维刚
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2020-04-21
Filing date: 2020-04-21
Publication date: 2022-02-18
Anticipated expiration: 2040-04-21
Also published as: CN113528979A

Abstract

本发明提出了一种成分优化的高强度RAFM钢(低活化铁素体马氏体钢)及其热处理工艺，RAFM钢的原料中各合金元素的质量百分比为：0.10％≤C≤0.13％，8.50％≤Cr≤9.00％，1.80％≤W≤2.00％，0.20％≤V≤0.25％，0.15％≤Ta≤0.20％，0.01％≤Zr≤0.02％，0.45％≤Mn≤0.50％，0.2％≤Si≤0.4％，0.02％≤N≤0.04％，RE(稀土元素)≤0.03％，O＜0.004％，P＜0.004％，S＜0.004％，余量为Fe基体；提高Ta的含量目的是为了形成大量弥散第二相，同时可以细化晶粒，提高材料的强韧性；微量Zr、RE能够提高材料的韧性。所述RAFM钢的热处理方法为：首先放至985±5℃的高温炉中，待炉温稳定后保温60min，随后出炉放至275±1℃的盐浴锅中保温60s(目的是使试样内外温度达到一致)，再迅速放至500±5℃的高温炉中，待炉温稳定后保温25min后出炉空冷至室温；最终使得本发明的RAFM钢结合热处理工艺在不明显降低其塑性的同时得到了较高的强度。

Description

一种成分优化的高强度RAFM钢及其热处理工艺

技术领域

本发明属于金属材料领域，具体涉及一种成分优化的高强度RAFM钢及其热处理工艺，是一种有效提高RAFM钢的室温及高温强度的工艺方法。

背景技术

当前世界范围内对能源的需求不断增加，这促使核能成为未来的主要能源来源之一。核能的经济可靠性已在目前运行的反应堆中得到充分证明。第四代国际先进核能论坛提出了六种先进的反应堆型，这些先进的核能系统具有更高的安全性、经济性，及环境友好性。与正在运行的商业核反应堆相比，第四代反应堆具有更高的运行温度和更高的中子剂量，这对材料的选择提出了重大挑战，如需要承受较大的辐射损伤(超过100dpa)，并且能够超过60年的服役时间等。这就对核反应堆的结构材料提出了更高的要求。目前已获得的辐照数据表明，铁素体/马氏体钢应用在反应堆上具有相当高的可行性，与奥氏体不锈钢相比，它们具有优越的热物理性能(较低的热膨胀系数、较高的热导率)和较好的抗辐照肿胀性能，而被作为先进核能反应堆燃料包壳的候选材料之一。

铁素体/马氏体(F/M)钢一般的热处理工艺为正火+回火处理，其主要组织为回火马氏体+铁素体，其中板条马氏体含有大量亚结构(位错)，可以通过吸收和湮灭由辐照所产生的点缺陷，从而强烈地抑制位移损伤的形成。早在20世纪70年代，高铬(9～12％Cr)F/M钢已经成为快堆的候选材料，用于耐高温核心部件。考虑到核废料的处理，以传统火电站用的F/M耐热钢为基础，通过使用低活化元素(如W、Ta和Mn)代替部分元素(Mo、Nb、Ni等)，从而形成RAFM(低活化铁素体马氏体)钢，不同国家和地区开发的低活化钢牌号有F82H、JLF-1(日本)、Eurofer-97(欧洲)和9Cr-2WVTa(美国)等，我国也开发了CLAM(中国科学院等离子体物理研究所)、CLF(核工业西南物理研究院)低活化钢。

RAFM钢的传统热处理工艺是正火(950-1150℃/30-60min)加回火(730-790℃/60-90min)，即NT工艺，基本上得到的均是回火马氏体与铁素体组织，以及在该组织中大量弥散分布的第二相。由传统热处理工艺所得到的低活化钢力学性能为：室温强度≤760MPa，600℃高温强度≤530MPa，室温下的最大延伸率≤25％，600℃高温下的最大延伸率≤32％。相对于第四代反应堆苛刻的服役环境，该性能仍不能满足要求，因此亟需提高RAFM钢的室温强度及高温强度，以满足恶劣的工作环境。

发明内容

本发明目的是在9Cr-2WVTa钢的基础上，优化其合金成分并开发热处理工艺，以获得具有较高室温和高温强度的RAFM钢。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案。

RAFM钢的原料中各合金元素的质量百分比为：0.10％≤C≤0.13％，8.50％≤Cr≤9.00％，1.80％≤W≤2.00％，0.20％≤V≤0.25％，0.15％≤Ta≤0.20％，0.01％≤Zr≤0.02％，0.45％≤Mn≤0.50％，0.2％≤Si≤0.4％，0.02％≤N≤0.04％，RE≤0.03％，O＜0.004％，P＜0.004％，S＜0.004％，余量为Fe基体；提高Ta的含量目的是为了形成大量弥散碳化物，控制晶粒生长，细化晶粒，并产生析出强化效应，提高材料的强韧性；微量Zr的加入可改善冲击性能和抗蠕变性能；稀土元素RE的加入可去除晶界杂质。

优选地，所述RAFM钢中各合金元素质量百分比为：0.128％C，8.99％Cr，1.89％W，0.23％V，0.169％Ta，0.50％Mn，0.22％Si，0.04％N，0.01％Zr，0.03％RE，O＜0.004％，P＜0.004％，S＜0.004％，余量为基体Fe。并且杂质总含量低于0.01wt.％，可有效避免RAFM钢的性能降低。

本发明包含对所述RAFM钢的热处理工艺，主要是对热轧后的RAFM钢板材进行二次马氏体转化的方法。其主要步骤为首先放至985±5℃的高温炉中，待炉温稳定后保温60min，随后出炉放至275±1℃的盐浴锅中保温60s(目的是使试样内外温度达到一致)，再迅速放至500±5℃的高温炉中，待炉温稳定后保温25min后出炉空冷至室温。

上述热处理工艺中的盐浴淬火过程，目的是获得部分转变的马氏体组织(一次马氏体)加上残余奥氏体组织，在后续500±5℃保温的过程中，相对于传统的回火温度及时间，该温度较低、时间较短，可使一次马氏体部分软化(消除部分淬火应力)并发生回复，同时得到细小弥散分布的第二相，并且所得到的第二相来不及长大，同时在该温度的保温过程中少量的碳还可进入残余奥氏体中稳定残余奥氏体。在最终的冷却至室温的过程中，之前的部分残余奥氏体发生马氏体转变，得到超细板条的二次马氏体结构。最终获得具有良好强塑性配合的板条马氏体，铁素体，残余奥氏体，细小碳化物的复相组织，使得本发明的RAFM钢结合热处理工艺在不降低其塑性的同时得到了较高的强度。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

图1为本发明实施例所述的RAFM钢的金相组织形貌图。

图2为本发明实施例所述的RAFM钢的扫描电子显微镜组织形貌图。

图3为本发明实施例所述的RAFM钢的热处理工艺流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明提出了一种成分优化的高强度的RAFM钢(低活化铁素体马氏体钢)及其热处理工艺，RAFM钢的原料中各合金元素的质量百分比为：0.10％≤C≤0.13％，8.50％≤Cr≤9.00％，1.80％≤W≤2.00％，0.20％≤V≤0.25％，0.15％≤Ta≤0.20％，0.01％≤Zr≤0.02％，0.45％≤Mn≤0.50％，0.2％≤Si≤0.4％，0.02％≤N≤0.04％，RE≤0.03％，O＜0.004％，P＜0.004％，S＜0.004％，余量为Fe基体；提高Ta的含量目的是为了形成大量弥散碳化物，控制晶粒生长，细化晶粒，并产生析出强化效应，提高材料的强韧性；微量Zr的加入可改善冲击性能和抗蠕变性能；稀土元素RE的加入可去除晶界杂质。并且杂质总含量低于0.01wt.％，可有效提高RAFM钢的性能。

根据本发明的一个实施例，上述制备RAFM钢中包含的组分并不受特别限制，根据本发明的具体实施例，所述RAFM钢的合金元素质量百分比为：0.128％C，8.99％Cr，1.89％W，0.23％V，0.169％Ta，0.50％Mn，0.22％Si，0.04％N，0.01％Zr，0.03％RE，O＜0.004％，P＜0.004％，S＜0.004％，余量为基体Fe。由此根据本发明的实施案例提出了一种新的组分和配比的快中子反应堆用RAFM钢，本发明通过提高Ta的含量，目的是为了形成大量弥散碳化物，控制晶粒生长，细化晶粒，提高材料室温强韧性、高温蠕变强度和疲劳性能；同时增加了N含量，形成大量MX相，可以有效地提高钢的高温强度；少量Zr和RE对提高钢的力学性能有较大的帮助。

本发明通过采用上述组分可以显著提高制备得到的RAFM钢的综合性能，进一步地，本发明还进一步地对制备RAFM钢的热处理工艺进行了优化，以便进一步提高RAFM钢的力学性能。本发明实施例的制备RAFM钢的方法可重复性高，可实现大规模工业化生产。

下面参考具体实施例，对本发明进行描述，需要说明的是，此实施例仅仅是描述性的，而不以任何方式限制本发明。

实施例

(1)采用本发明的成分制备出了合格的RAFM钢，所述RAFM钢的合金元素质量百分比为：0.128％C，8.99％Cr，1.89％W，0.23％V，0.169％Ta，0.50％Mn，0.22％Si，0.04％N，0.01％Zr，0.03％RE，O＜0.004％，P＜0.004％，S＜0.004％，余量为基体Fe。

(2)将上述成分的原料通过真空感应熔炼的方法铸造，根据合金元素的烧损和挥发特性依次加入原材料，原材料经过真空感应熔炼后制备出成分合格的铸锭。

(3)对铸锭在1100℃保温3h进行均匀化处理，然后采用锻造比约为5的锻造工艺进行锻造。

(4)先将步骤(3)得到的铸锭在1150℃保温2小时，进行奥氏体化之后进行轧制处理，初始轧制温度1100℃，终止轧制温度900℃，总的变形量不低于85％，得到2.5mm厚的热轧钢板。

(5)将热轧后的钢板进行热处理，热处理工艺如图3所示，其详细的热处理步骤为：首先将实验钢放入温度已经达到985℃的高温保温炉中，等到温度再次回升到985±5℃时，开始计时，进行保温60min；随后出炉快速放至275±1℃的盐浴锅中立刻计时保温60s，目的是使试样内外温度达到一致；再快速放入温度已经达到500℃的高温保温炉中，等到温度再次回升到500±5℃时，开始计时，进行保温25min；最后出炉空冷至室温。

评价指标。

上述实施例方法制备得到钢合金的硬度为41.3HRC，晶粒尺寸在4.5～14μm，金相组织形貌图见图1，扫描电子显微镜组织形貌图见图2。由图1可知，实施例RAFM钢的主要组织结构为马氏体和铁素体；由图2可知，实施例RAFM钢并未在边界处发现粗大的第二相，可以提高所述RAFM钢的高温强度。由此可见，经过上述热处理后，所述RAFM钢的组织为板条马氏体，铁素体，残余奥氏体，并且含有细小弥散的第二相。这种组织形貌与本发明最初的设计是一致的。

室温及高温力学性能测定。

测定常温及高温力学性能，测定方法依据GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》和GBT 4338-2006《金属材料高温拉伸试验方法》。

测定结果。

室温下的抗拉强度达到1272MPa，屈服强度达到957MPa，断后延伸率为23.6％。

550℃下的抗拉强度达到958MPa，屈服强度达到811MPa，断后延伸率为22.0％。

600℃下的抗拉强度达到696MPa，屈服强度达到657MPa，断后延伸率为20.4％。

高温下的断后延伸率反而降低，是因为发生了动态应变时效，溶质原子与位错的交互作用导致。通过本发明所述的热处理工艺，RAFM钢的室温抗拉强度提高到1272MPa，550℃抗拉强度由提高到958MPa，600℃抗拉强度提高到696Mpa，同时可保证塑性满足使用要求。

应当注意，根据本发明的上述实施例，本领域技术人员可以完全实现本发明的权利要求1和从属权利要求的全部范围，并且实现过程和方法与上述实施例相同。且本发明没有详细描述的部分属于本领域的已知技术。以上描述仅仅是本发明具体实施例的一部分，但是本发明的保护范围不限于此。在本发明公开的技术范围内，本领域技术人员可以容易想到的改变或替代都应该被包括在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种成分优化的高强度RAFM钢，即低活化铁素体马氏体钢，其特征在于，该钢的合金元素的质量百分比为：0.10％≤C≤0.13％，8.50％≤Cr≤9.00％，1.80％≤W≤2.00％，0.20％≤V≤0.25％，0.15％≤Ta≤0.20％，0.01％≤Zr≤0.02％，0.45％≤Mn≤0.50％，0.2％≤Si≤0.4％，0.02％≤N≤0.04％，RE≤0.03％，O＜0.004％，P＜0.004％，S＜0.004％，余量为Fe基体；

所述低活化铁素体马氏体钢的热处理方法为：首先放至985±5℃的高温炉中，待炉温稳定后保温60min，随后出炉放至275±1℃的盐浴锅中保温60s，使试样内外温度达到一致，再迅速放至500±5℃的高温炉中，待炉温稳定后保温25min，最后出炉空冷至室温。

2.根据权利要求1所述的一种成分优化的高强度RAFM钢，其特征在于，所述RAFM钢中各合金元素质量百分比为：0.128％C，8.99％Cr，1.89％W，0.23％V，0.169％Ta，0.50％Mn，0.22％Si，0.04％N，0.01％Zr，0.03％RE，O＜0.004％，P＜0.004％，S＜0.004％，余量为基体Fe。