CN113699323B - 一种RAFM钢与Cr-Ni不锈钢复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种RAFM钢与Cr‑Ni不锈钢复合材料，包括RAFM钢组件和Cr‑Ni不锈钢组件，通过接触面加工、接触面清洗和干燥、装配和封焊处理、热等静压扩散焊接、热处理以及表面精加工和干燥处理，可以得到圆形或方形的RAFM钢与Cr‑Ni不锈钢复合材料。根据本发明实施例的RAFM钢与Cr‑Ni不锈钢复合材料，当热等静压扩散焊接温度为900‑1150℃、压力50‑200MPa，保温时间为1‑4h以及淬火温度为1000‑1150℃，淬火时间为0.5‑2h；回火温度为700‑950℃，回火时间为1‑4h时，复合材料界面结合质量较好，可以提高材料的塑韧性。

Description

一种RAFM钢与Cr-Ni不锈钢复合材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域，具体涉及一种RAFM钢与Cr-Ni不锈钢复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
低活化铁素体/马氏体(Reduced Activation Ferritic/Martensitic steel，RAFM)钢相对奥氏体不锈钢，在聚变堆结构材料应用方面性能更为优异，具有良好的焊接性，更好的抗辐照肿胀性能，更好的热应力因子和对液态金属更好的抗腐蚀性能，以及已经具备的大量的基本性能和辐照性能的数据。因此，低活化铁素体/马氏体钢被认为是未来聚变堆首选结构材料。经过几十年的发展，欧洲、日本、美国和中国等在内的很多国家开展了很多RAFM钢的研究，例如欧洲的EUROFER97，日本的F82H和JLF-1，美国的9Cr2WVTa，中国低活化马氏体(China low activation martensitic，CLAM)钢等。RFAM钢主要以Cr、W、Mo、Mn、Ta、Ni、Fe、Si等合金元素为主，相比较300系列奥氏体不锈钢制造成本较高，如在核聚变堆装置中大量使用将大大增加核聚变堆的建造成本。如采用RAFM钢与316L、304L等奥氏体不锈钢复合材料进行制造，将大大减少聚变堆的建造成本。
发明内容
本发明旨在提供一种RAFM钢与Cr-Ni不锈钢复合材料及其制备方法。
首先，根据本发明的一方面，本发明提供了一种RAFM钢与Cr-Ni不锈钢复合材料，包括RAFM钢组件和Cr-Ni不锈钢组件，RAFM钢组件采用RAFM钢材料制得，Cr-Ni不锈钢组件采用Cr-Ni不锈钢材料制得。
优选地，RAFM钢与Cr-Ni不锈钢复合材料组件为圆形或方形。
优选地，RAFM钢组件与Cr-Ni不锈钢组件接触面的粗糙度均小于Ra3.2。
优选地，RAFM钢与Cr-Ni不锈钢复合材料的抗拉强度不小于515MPa。
另一方面，本发明还提供了一种RAFM钢与Cr-Ni不锈钢复合材料的制备方法，包括下述步骤：
(1)接触面加工：对RAFM钢、奥氏体不锈钢的接触面进行机械加工，在奥氏体不锈钢材料的接触面加工I型焊接坡口，RAFM钢、奥氏体不锈钢的接触面要求粗糙度优于Ra3.2；
(2)接触面清洗和干燥：对RAFM钢和奥氏体不锈钢进行超声清洗处理；采用压缩空气和无水酒精对RAFM钢和奥氏体不锈钢进行干燥处理；
(3)装配和封焊处理：将RAFM钢与奥氏体不锈钢进行装配，采用真空电子束焊接，将奥氏体不锈钢与RAFM钢进行封焊，真空漏率＜10-3Pa·m3/S；
(4)热等静压扩散焊接：热等静压扩散焊接温度为900-1150℃、压力50-200MPa，保温时间为1-4h，得到热等静压件；
(5)热处理：对热等静压件进行热处理，热处理工艺由淬火(水淬)和高温回火组成，其中，淬火温度为1000-1150℃，淬火时间为0.5-2h；回火温度为700-950℃，回火时间为1-4h；
(6)表面精加工和干燥处理：采用机械方式去除热处理后工件的电子束焊缝和表面氧化皮；对工件表面进行超声清洗，采用压缩氮气对工件进行干燥处理，得到RAFM钢与Cr-Ni不锈钢复合材料。
优选地，本发明RAFM钢与Cr-Ni不锈钢复合材料的制备方法，热处理工艺的淬火介质采用液态水。
最后，本发明还涉及上述RAFM钢与Cr-Ni不锈钢复合材料的制备方法在核工业中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、采用热等静压高温高压对复合材料进行高温高压处理，使复合材料均匀受压，复合材料界面结合质量较好；
2、复合材料以所需仿型本体作为包套，取消真空抽口设计；
3、复合材料焊后无需拆包套，加工工艺简单；
4、同时可视实际工程尺寸需要进行复合材料的制作，快速柔性化制造；
5、复合材料热等静压后对样品进行热处理，使热等静压过程中产生的析出物重新固溶到晶界内，热处理后RAFM组织呈回火马氏体组织，可恢复到RAFM钢原材料的塑韧性状态；奥氏体不锈钢在热等静压过程中产生的析出物会重新固溶到晶粒内，提高材料的塑韧性。
附图说明
图1为本发明中实施例1、实施例2圆形复合材料制作示意图；
图2为本发明中实施例1、实施例2、实施例3方形复合材料制作示意图；
图3为本发明实施例1所制备RAFM钢与304L复合材料的连接界面金相组织图；
图4为本发明实施例2所制备RAFM钢与304L复合材料的连接界面金相组织图；
图5为发明本实施例3所制备RAFM钢与316L复合材料的连接界面金相组织图；
图6为本发明实施例4所制备RAFM钢与316L复合材料的连接界面金相组织图；
图7为本发明实施例5所制备RAFM钢与316L复合材料的连接界面金相组织图；
图8为本发明实施例1、2所制备RAFM钢与304L复合材料的剪切拉伸应力应变曲线；
图9为本发明实施例3、4、5所制备RAFM钢与316L复合材料的剪切拉伸应力应变曲线。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例详细描述本发明的实施方式，但是以下具体实施方式本质上仅是示例，本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
除非另有指明，本发明中使用的所有技术和科学术语与本领域技术人员通常理解的意义相同。除实施例中使用的具体方法、设备、材料外，根据本领域技术人员对现有技术的掌握及本发明的记载，还可以使用与本发明实施例中所述的方法、设备、材料相似或等同的现有技术的任何方法、设备和材料来实现本发明。
在本发明中，若非特指，所有的份、百分比均为重量单位；若无特别说明，所有的设备和原料均可从商业途径得到或是本行业常用的；下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。
实施例1
如图1(a)和1(b)所示，本实施例制备的圆形RAFM钢与Cr-Ni不锈钢复合材料包括第一组件本体11和第二组件本体12。第一组件本体11的外径为φ210mm，内径为φ200mm，厚度为20mm，沉台厚度为10mm，采用车床或铣床在第一组件本体11上加工I型焊接坡口。第二组件本体12外径为φ200mm，厚度为10mm。第一组件本体11由304L材料制得，第二组件本体12由RAFM材料制得。
本实施例制备圆形RAFM钢与Cr-Ni不锈钢复合材料的方法如下：
(1)接触面加工：对RAFM钢、奥氏体不锈钢的接触面进行机械加工，在奥氏体不锈钢材料的接触面加工I型焊接坡口，RAFM钢、奥氏体不锈钢的接触面要求粗糙度优于Ra3.2；
(2)接触面清洗和干燥：对RAFM钢和奥氏体不锈钢进行超声清洗处理；采用压缩空气和无水酒精对RAFM钢和奥氏体不锈钢进行干燥处理；
(3)装配和封焊处理：将RAFM钢与奥氏体不锈钢进行装配，采用真空电子束焊接，将奥氏体不锈钢与RAFM钢进行封焊，真空漏率＜10-3Pa·m3/S；
焊后采用氦质谱背压检漏检测密封效果，确保本体组件11和本体组件12形成封闭腔体无泄漏，密封有效；
(4)热等静压扩散焊接：对封焊处理后的组件进行热等静压扩散焊接，热等静压扩散焊接温度为900℃、压力50MPa，保温时间为2h，得到热等静压件；
(5)热处理：对热等静压件进行热处理，热处理工艺由淬火(水淬)和高温回火组成，其中，淬火温度为1000℃，淬火时间为2h；回火温度为700℃，回火时间为2h；
(6)表面精加工和干燥处理：采用机械方式去除热处理后工件的电子束焊缝和表面氧化皮；对工件表面进行超声清洗，采用压缩氮气对工件进行干燥处理，得到圆形RAFM钢与Cr-Ni不锈钢复合材料。
实施例2
如图1(a)和1(b)所示，本实施例制备的圆形RAFM钢与Cr-Ni不锈钢复合材料包括第一组件本体11和第二组件本体12。第一组件本体11的外径为φ210mm，内径为φ200mm，厚度为20mm，沉台厚度为10mm，采用车床或铣床在第一组件本体11上加工I型焊接坡口。第二组件本体12外径为φ200mm，厚度为10mm。第一组件本体11由304L材料制得，第二组件本体12由RAFM材料制得。
本实施例制备圆形RAFM钢与Cr-Ni不锈钢复合材料的方法如下：
(1)接触面加工：对RAFM钢、奥氏体不锈钢的接触面进行机械加工，在奥氏体不锈钢材料的接触面加工I型焊接坡口，RAFM钢、奥氏体不锈钢的接触面要求粗糙度优于Ra3.2；
(2)接触面清洗和干燥：对RAFM钢和奥氏体不锈钢进行超声清洗处理；采用压缩空气和无水酒精对RAFM钢和奥氏体不锈钢进行干燥处理；
(3)装配和封焊处理：将RAFM钢与奥氏体不锈钢进行装配，采用真空电子束焊接，将奥氏体不锈钢与RAFM钢进行封焊，真空漏率＜10-3Pa·m3/S；
焊后采用氦质谱背压检漏检测密封效果，确保本体组件11和本体组件12形成封闭腔体无泄漏，密封有效；
(4)热等静压扩散焊接：对封焊处理后的组件进行热等静压扩散焊接，热等静压扩散焊接温度为900℃、压力100MPa，保温时间为2h，得到热等静压件；
(5)热处理：对热等静压件进行热处理，热处理工艺由淬火(水淬)和高温回火组成，其中，淬火温度为1000℃，淬火时间为2h；回火温度为700℃，回火时间为2h；
(6)表面精加工和干燥处理：采用机械方式去除热处理后工件的电子束焊缝和表面氧化皮；对工件表面进行超声清洗，采用压缩氮气对工件进行干燥处理，得到圆形RAFM钢与Cr-Ni不锈钢复合材料。
实施例3
如图2(a)和2(b)所示，本实施例制备的方形RAFM钢与Cr-Ni不锈钢复合材料包括第三组件本体21和第四组件本体22。第三组件本体21规格为210×110mm，厚度为20mm，沉台为10mm，第三组件本体21的圆角应≥3mm，采用车床或铣床在第三组件本体21上加工I型焊接坡口。第四组件本体22规格为200×100mm，厚度为10mm，第三组件本体21由316L材料制得，第四组件本体材料22由RAFM钢材料制得。
本实施例制备方形RAFM钢与Cr-Ni不锈钢复合材料的方法如下：
(1)接触面加工：对RAFM钢、奥氏体不锈钢的接触面进行机械加工，在奥氏体不锈钢材料的接触面加工I型焊接坡口，RAFM钢、奥氏体不锈钢的接触面要求粗糙度优于Ra3.2；
(2)接触面清洗和干燥：对RAFM钢和奥氏体不锈钢进行超声清洗处理；采用压缩空气和无水酒精对RAFM钢和奥氏体不锈钢进行干燥处理；
(3)装配和封焊处理：将RAFM钢与奥氏体不锈钢进行装配，采用真空电子束焊接，将奥氏体不锈钢与RAFM钢进行封焊，真空漏率＜10-3Pa·m3/S；
焊后采用氦质谱背压检漏检测密封效果，确保本体组件11和本体组件12形成封闭腔体无泄漏，密封有效；
(4)热等静压扩散焊接：对封焊处理后的组件进行热等静压扩散焊接，热等静压扩散焊接温度为900℃、压力50MPa，保温时间为1h，得到热等静压件；
(5)热处理：对热等静压件进行热处理，热处理工艺由淬火(水淬)和高温回火组成，其中，淬火温度为1000℃，淬火时间为0.5h；回火温度为700℃，回火时间为1h；
(6)表面精加工和干燥处理：采用机械方式去除热处理后工件的电子束焊缝和表面氧化皮；对工件表面进行超声清洗，采用压缩氮气对工件进行干燥处理，得到方形RAFM钢与Cr-Ni不锈钢复合材料。
实施例4
如图2(a)和2(b)所示，本实施例制备的方形RAFM钢与Cr-Ni不锈钢复合材料包括第三组件本体21和第四组件本体22。第三组件本体21规格为210×110mm，厚度为20mm，沉台为10mm，第三组件本体21的圆角应≥3mm，采用车床或铣床在第三组件本体21上加工I型焊接坡口。第四组件本体22规格为200×100mm，厚度为10mm，第三组件本体21由316L材料制得，第四组件本体材料22由RAFM钢材料制得。
本实施例制备方形RAFM钢与Cr-Ni不锈钢复合材料的方法如下：
(1)接触面加工：对RAFM钢、奥氏体不锈钢的接触面进行机械加工，在奥氏体不锈钢材料的接触面加工I型焊接坡口，RAFM钢、奥氏体不锈钢的接触面要求粗糙度优于Ra3.2；
(2)接触面清洗和干燥：对RAFM钢和奥氏体不锈钢进行超声清洗处理；采用压缩空气和无水酒精对RAFM钢和奥氏体不锈钢进行干燥处理；
(3)装配和封焊处理：将RAFM钢与奥氏体不锈钢进行装配，采用真空电子束焊接，将奥氏体不锈钢与RAFM钢进行封焊，真空漏率＜10-3Pa·m3/S；
焊后采用氦质谱背压检漏检测密封效果，确保本体组件11和本体组件12形成封闭腔体无泄漏，密封有效。
(4)热等静压扩散焊接：对封焊处理后的组件进行热等静压扩散焊接，热等静压扩散焊接温度为1100℃、压力140MPa，保温时间为3h，得到热等静压件；
(5)热处理：对热等静压件进行热处理，热处理工艺由淬火(水淬)和高温回火组成，其中，淬火温度为1100℃，淬火时间为2h；回火温度为760℃，回火时间为3h；
(6)表面精加工和干燥处理：采用机械方式去除热处理后工件的电子束焊缝和表面氧化皮；对工件表面进行超声清洗，采用压缩氮气对工件进行干燥处理，得到方形RAFM钢与Cr-Ni不锈钢复合材料。
实施例5
如图2(a)和2(b)所示，本实施例制备的方形RAFM钢与Cr-Ni不锈钢复合材料包括第三组件本体21和第四组件本体22。第三组件本体21规格为210×110mm，厚度为20mm，沉台为10mm，第三组件本体21的圆角应≥3mm，采用车床或铣床在第三组件本体21上加工I型焊接坡口。第四组件本体22规格为200×100mm，厚度为10mm，第三组件本体21由316L材料制得，第四组件本体材料22由RAFM钢材料制得。
本实施例制备方形RAFM钢与Cr-Ni不锈钢复合材料的方法如下：
(1)接触面加工：对RAFM钢、奥氏体不锈钢的接触面进行机械加工，在奥氏体不锈钢材料的接触面加工I型焊接坡口，RAFM钢、奥氏体不锈钢的接触面要求粗糙度优于Ra3.2；
(2)接触面清洗和干燥：对RAFM钢和奥氏体不锈钢进行超声清洗处理；采用压缩空气和无水酒精对RAFM钢和奥氏体不锈钢进行干燥处理；
(3)装配和封焊处理：将RAFM钢与奥氏体不锈钢进行装配，采用真空电子束焊接，将奥氏体不锈钢与RAFM钢进行封焊，真空漏率＜10-3Pa·m3/S；
焊后采用氦质谱背压检漏检测密封效果，确保本体组件11和本体组件12形成封闭腔体无泄漏，密封有效。
(4)热等静压扩散焊接：对封焊处理后的组件进行热等静压扩散焊接，热等静压扩散焊接温度为1150℃、压力200MPa，保温时间为4h，得到热等静压件；
(5)热处理：对热等静压件进行热处理，热处理工艺由淬火(水淬)和高温回火组成，其中，淬火温度为1150℃，淬火时间为2h；回火温度为950℃，回火时间为4h；
(6)表面精加工和干燥处理：采用机械方式去除热处理后工件的电子束焊缝和表面氧化皮；对工件表面进行超声清洗，采用压缩氮气对工件进行干燥处理，得到方形RAFM钢与Cr-Ni不锈钢复合材料。
实施例6
对实施例1至实施例5所制得的RAFM钢与Cr-Ni不锈钢复合材料进行金相制样和组织分析。
图3至图7为实施例RAFM钢与304L扩散焊界面的金相图。从图3上可知RAFM钢与304L不锈钢连接界面均结合致密，无明显缺陷。
根据GB/T228.1-2010《金属材料-室温拉伸试验方法》对实施例1至实施例5制得的RAFM钢与Cr-Ni不锈钢复合材料进行拉伸试验，拉伸设备采用SANS-CMT5305拉力机。
图8为实施例1和实施例2所制得的RAFM钢与304L不锈钢复合材料的拉伸剪切应力应变曲线；图9为实施例3至实施例5所制得的RAFM钢与316L不锈钢拉伸剪切应力应变曲线；拉伸结果显示大于国家标准GB/T4238-2015中对于304L和316L不锈钢≥515Mpa的力学性能要求。从拉伸断裂位置来看，断裂失效位置均在Cr-Ni钢母材上。另外，从力学性能结果来看，剪切拉伸强度一致性较好。从剪切拉伸结果充分证明，本发明方法制备的复合材料力学性能优异，可用于聚变堆工程使用。
以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种RAFM钢与Cr-Ni不锈钢复合材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：
（1）接触面加工：对RAFM钢、奥氏体不锈钢的接触面进行机械加工，在奥氏体不锈钢材料的接触面加工I型焊接坡口，RAFM钢、奥氏体不锈钢的接触面要求粗糙度小于Ra3.2；
（2）接触面清洗和干燥：对RAFM钢和奥氏体不锈钢进行超声清洗处理；采用压缩空气和无水酒精对RAFM钢和奥氏体不锈钢进行干燥处理；
（3）装配和封焊处理：将RAFM钢与奥氏体不锈钢进行装配，采用真空电子束焊接，将奥氏体不锈钢与RAFM钢进行封焊，真空漏率＜10-3Pa•m³/S；
（4）热等静压扩散焊接：热等静压扩散焊接温度为900-1150℃、压力50 -200MPa，保温时间为1-4h，得到热等静压件；
（5）热处理：对热等静压件进行热处理，热处理工艺由淬火和高温回火组成，其中，淬火温度为1000-1150℃，淬火时间为0.5-2h；回火温度为700-950℃，回火时间为1-4h；
（6）表面精加工和干燥处理：采用机械方式去除热处理后工件的电子束焊缝和表面氧化皮；对工件表面进行超声清洗，采用压缩氮气对工件进行干燥处理，得到RAFM钢与Cr-Ni不锈钢复合材料。
2.根据权利要求1所述的RAFM钢与Cr-Ni不锈钢复合材料的制备方法，其特征在于，热处理工艺的淬火介质采用液态水。
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