CN114318169A - 耐超临界水/超临界二氧化碳腐蚀的含铝奥氏体不锈钢 - Google Patents

耐超临界水/超临界二氧化碳腐蚀的含铝奥氏体不锈钢 Download PDF

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Abstract

一种耐超临界水/超临界二氧化碳腐蚀的含铝奥氏体不锈钢，其组分为镍、铬、铝、钼、铜、锰、硅、铌、碳，余量为铁，其具体质量百分比含量为：镍22％～30％、铬16％～20％、铝1％～4％、钼3.5％～4.5％、铜1％～2％、锰1.5％～2.5％、硅0.5％～1.2％、铌0.8％～1.2％、碳0.06％～0.10％、余量为铁。本发明在高温(≥550℃)超临界水/超临界二氧化碳环境下能够形成连续、致密且稳定的氧化铝氧化膜而具备优异的耐腐蚀性能，基于第二相强化机理引入MC相、Laves相、B2‑NiAl相等强化相为其提供充足抗高温蠕变性能。

Description

耐超临界水/超临界二氧化碳腐蚀的含铝奥氏体不锈钢
技术领域
本发明涉及的是一种不锈钢制造领域的技术，具体是一种耐超临界水/超临界二氧化碳腐蚀的含铝奥氏体不锈钢，适用于高温氧化环境，例如超临界水冷堆/超临界二氧化碳系统。
背景技术
超临界水冷堆(SCWR)是第四代反应堆概念，采用单相超临界水(SCW，Tc≥374.2℃、Pc≥22.1MPa)作为冷却剂，但超临界水冷堆及超临界二氧化碳核反应堆的运行温度、压力均高于目前商用的压水堆。更高的运行温度和压力(400-700℃/15-30MPa)，加之强烈的腐蚀环境，对结构材料，尤其是堆芯包壳材料的选用提出更为苛刻的要求。现有的奥氏体不锈钢在高温腐蚀环境下，会因氧化铬易挥发而造成不锈钢耐腐蚀性能降低，不适用于超临界水/超临界二氧化碳下的高温高压环境。
现有奥氏体不锈钢合金制备技术不针对高温腐蚀环境，尤其是超临界水/超临界二氧化碳等极端环境下耐腐蚀性能提升且多相不锈钢耐腐蚀性能不满足超临界水/超临界二氧化碳环境下材料耐腐蚀及力学性能要求。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种耐超临界水/超临界二氧化碳腐蚀的含铝奥氏体不锈钢，在高温(≥550℃)超临界水/超临界二氧化碳环境下能够形成连续、致密且稳定的氧化铝氧化膜而具备优异的耐腐蚀性能，基于第二相强化机理引入MC相、Laves相、B2-NiAl相等强化相为其提供充足抗高温蠕变性能。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种耐超临界水/超临界二氧化碳腐蚀的含铝奥氏体不锈钢，其组分为镍、铬、铝、钼、铜、锰、硅、铌、碳，余量为铁，其具体质量百分比含量为：镍22％～30％、铬16％～20％、铝1％～4％、钼3.5％～4.5％、铜1％～2％、锰1.5％～2.5％、硅0.5％～1.2％、铌0.8％～1.2％、碳0.06％～0.10％、余量为铁。
所述的含铝奥氏体不锈钢中：镍、锰、碳用于维持不锈钢基体为奥氏体相，铝用以维持不锈钢在高温氧化环境下形成致密、连续且稳定的耐腐蚀性氧化铝膜，铬和硅用于通过“第三元素效应”促进铝氧化膜的形成，降低形成保护性氧化铝膜所需的最低铝含量，镍、铝用于形成B2-NiAl相，在保护性氧化铝膜的形成过程中作为“铝池”，补充因形成氧化铝造成的铝消耗，有利于提高钢的耐腐蚀性能，铌、碳含量维持在1～2之间(其中M主要是Nb)，用于获得纳米级MC第二相为含铝奥氏体不锈钢提供充足的抗高温蠕变性能，钼和铜用于形成Laves相及纳米级富铜、富钼相，提供强化作用以提高钢的高温蠕变性能。
本发明涉及上述含铝奥氏体不锈钢的制备方法，利用真空感应炉将成分设定的纯金属原料Fe、Cr、Ni、Mo、Nb、C混合后置于坩埚内抽真空送电熔炼，待钢液化清后加入余量C、Al充分融化后精炼，然后向感应炉中通入氩气并加入Si、Mn进一步降低氧、硫含量，再经保温后加入Cu充分熔化，调温浇注成钢锭，经锻造成型得到不锈钢锻坯后通过热处理实现。
所述的纯金属原料为99.99％以上的纯度。
所述的熔炼，通过真空环境和低熔化速率增强碳脱氧、氮效率。
所述的精炼，在1500℃保温不少于10分钟，用以有效降低钢液中氧、硫、氮等杂质含量。
所述的锻造成型，通过加热炉，先加热至800℃，加热速度100℃/h，均温1-2h，随后以100℃/h加热速度，加热至1200℃，保温3小时，然后降温至1180℃，保温1小时后开始锻造，开锻温度不低于1180℃且不高于1250℃，终锻温度为950～1000℃，空冷得到不锈钢锻坯。
所述的不锈钢锻坯，优选经打磨去除氧化皮。
所述的热处理是指：在1180-1250℃固溶处理60分钟，经水冷后再在700℃进行100小时的时效处理。
本发明涉及上述含铝奥氏体不锈钢的应用，将其用于制造超临界水堆/超临界二氧化碳系统的燃料包壳。
技术效果
本发明针对超临界二氧化碳/超临界水环境研制的新型含铝奥氏体不锈钢，通过添加一定比例的铝，维持较高的钼含量，同时通过较高的镍含量维持基体为单相奥氏体，合理地合金设计及锻造工艺使得材料在超临界水/超临界二氧化碳等高温腐蚀环境下具备优异的耐腐蚀性能和高温力学性能，从而满足结构材料性能需求。
与现有技术相比，本发明制备得到的含铝奥氏体不锈钢在600℃超临界水中500小时氧化增重小于20mg/dm2，在600℃超临界二氧化碳中500小时氧化增重小于6mg/dm2。能够满足500-650℃超临界水或超临界二氧化碳环境中材料性能要求。
附图说明
图1为实施例AFA钢在600℃超临界水中500h腐蚀增重曲线示意图；
图2为实施例AFA钢在600℃超临界二氧化碳中500h腐蚀增重曲线示意图。
具体实施方式
本实施例涉及一种耐超临界水/超临界二氧化碳腐蚀的含铝奥氏体不锈钢的制备方法，具体包括以下步骤：
①利用真空感应炉将纯金属原料Fe、Cr、Ni、Mo、Nb、C混合后放置在坩埚内抽真空送电熔炼。熔炼期间依靠较高的真空环境和低熔化速率增强碳脱氧、氮效率，钢液化清后加入余量C、Al充分融化后精炼。
所述的精炼，使得钢液在1500℃保温不少于10分钟，用以有效降低钢液中氧、硫、氮等杂质含量。
②精炼后向感应炉中通入0.04MPa氩气，加入Si、Mn进一步降低氧、硫含量。
③随后保温10分钟加入Cu充分熔化，调温浇注成钢锭。
④冶炼后的钢锭通过锻造成型，锻造过程中钢锭放入加热炉，先加热至800℃，加热速度100℃/h，均温1-2h，随后以100℃/h加热速度，加热至1200℃，保温3小时，然后降温至1180℃，保温1小时后开始锻造，开锻温度不低于1180℃且不高于1250℃，终锻温度为950～1000℃，空冷得到不锈钢锻坯，打磨去除氧化皮。
⑤热处理流程为，不锈钢锻坯在1180-1250℃固溶处理60分钟，水冷，随后在700℃进行100小时时效处理。
步骤①中的原料用量如表1所示。
表1(单位：质量百分比)
Ni Cr Mo Cu Mn Si Nb C Al Fe
对比实施例 26 19 4 1.5 2 1 1 0.08 0 余量
实施例1 26 19 4 1.5 2 1 1 0.08 1.5 余量
实施例2 26 19 4 1.5 2 1 1 0.08 2.5 余量
实施例3 26 19 4 1.5 2 1 1 0.08 3.5 余量
在600℃超临界水及超临界二氧化碳中对上述对比实施例、实施例1、实施例2和实施例3进行腐蚀试验：经过具体实际实验，分别在600℃/10MPa，超临界水以及600℃/10MPa，超临界二氧化碳中腐蚀500小时，腐蚀增重曲线如图1和图2所示。
与现有技术相比，本发明侧重针对超临界水/超临界二氧化碳环境下材料提高耐腐蚀性能，合理的成分优化制备材料后经试验验证表明本发明所研发材料在超临界二氧化碳/超临界水的等高温腐蚀环境下具备极低的腐蚀增重量，说明本发明研制的材料优异的耐腐蚀性能，能满足上述环境中作为关键结构材料应用要求。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (10)

1.一种耐超临界水/超临界二氧化碳腐蚀的含铝奥氏体不锈钢，其特征在于，其组分为镍、铬、铝、钼、铜、锰、硅、铌、碳，余量为铁，其具体质量百分比含量为：镍22％～30％、铬16％～20％、铝1％～4％、钼3.5％～4.5％、铜1％～2％、锰1.5％～2.5％、硅0.5％～1.2％、铌0.8％～1.2％、碳0.06％～0.10％、余量为铁。
2.根据权利要求1所述的含铝奥氏体不锈钢，其特征是，所述的含铝奥氏体不锈钢中：镍、锰、碳用于维持不锈钢基体为奥氏体相，铝用以维持不锈钢在高温氧化环境下形成致密、连续且稳定的耐腐蚀性氧化铝膜，铬和硅用于通过第三元素效应促进铝氧化膜的形成，降低形成保护性氧化铝膜所需的最低铝含量，镍、铝用于形成B2-NiAl相，在保护性氧化铝膜的形成过程中作为铝池，补充因形成氧化铝造成的铝消耗，铌、碳用于获得纳米级MC第二相为含铝奥氏体不锈钢提供充足的抗高温蠕变性能，钼和铜用于形成Laves相及纳米级富铜、富钼相，提供强化作用以提高钢的高温蠕变性能。
3.根据权利要求1或2所述的含铝奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于，利用真空感应炉将成分设定的纯金属原料Fe、Cr、Ni、Mo、Nb、C混合后置于坩埚内抽真空送电熔炼，待钢液化清后加入余量C、Al充分融化后精炼，然后向感应炉中通入氩气并加入Si、Mn进一步降低氧、硫含量，再经保温后加入Cu充分熔化，调温浇注成钢锭，经锻造成型得到不锈钢锻坯后通过热处理实现。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征是，所述的纯金属原料为99.99％以上的纯度。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征是，所述的熔炼，通过真空环境和低熔化速率增强碳脱氧、氮效率。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征是，所述的精炼，在1500℃保温不少于10分钟，用以有效降低钢液中氧、硫、氮等杂质含量。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征是，所述的锻造成型，通过加热炉，先加热至800℃，加热速度100℃/h，均温1-2h，随后以100℃/h加热速度，加热至1200℃，保温3小时，然后降温至1180℃，保温1小时后开始锻造，开锻温度不低于1180℃且不高于1250℃，终锻温度为950～1000℃，空冷得到不锈钢锻坯。
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征是，所述的不锈钢锻坯，经打磨去除氧化皮。
9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征是，所述的热处理是指：在1180-1250℃固溶处理60分钟，经水冷后再在700℃进行100小时的时效处理。
10.根据权利要求1或2所述的含铝奥氏体不锈钢或权利要求3～9中任一所述方法制备得到的含铝奥氏体不锈钢的应用，其特征在于，将其用于制造超临界水堆/超临界二氧化碳系统的燃料包壳。
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