CN115161530A - 一种合金钢及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种合金钢及其制备方法与应用，所述合金钢按重量百分含量计，包括Fe含量为18‑28％，Cr含量为15‑25％，V含量为15‑25％，W含量为10‑16％，Ta含量为10‑15％，Si含量为0.5‑2.0％，Mn含量为0.3‑1.5％，Ti含量为0.3‑1.5％，Y含量为0.1‑1.5％，C含量为0.05‑0.5％，其机械性能、辐照性能、液态金属腐蚀性能、高温性能等表现均佳。

Description

一种合金钢及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于合金材料领域，具体涉及一种合金钢及其制备方法与应用。
背景技术
采用液态金属材料作为冷却剂的先进核能系统，具有安全性好、经济性好、可行性好、易小型化等特点，但其堆芯结构材料在高温环境服役期间即受到高剂量快中子辐照，又有液态金属腐蚀，因而要求其使用的关键结构材料具有抗辐照、耐液态金属腐蚀、耐高温等特点。为了降低结构材料退役后的放射性危害，国内外通常采用W、Ta、V等中子辐照后不产生长寿命放射性核素的低活化元素取代传统钢中Ni、Mo、Nb等高活化元素，但现有核电用钢有其各自的优缺点，如我国的实验快堆CEFR和比利时铅冷快堆MYRRHA的结构材料15-15Ti相比早期选材T91有良好的抗液态金属腐蚀能力，但高剂量快中子对其造成较T91更为显著的辐照损伤是无法回避的问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的之一在于提供一种性能优良，具备抗辐射、耐液态金属腐蚀和耐高温等特点的合金钢。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种合金钢，按重量百分含量计，包括：
Fe含量为18-28％，Cr含量为15-25％，V含量为15-25％，W含量为10-16％，Ta含量为10-15％，Si含量为0.5-2.0％，Mn含量为0.3-1.5％，Ti含量为0.3-1.5％，Y含量为0.1-1.5％，C含量为0.05-0.5％。
上述技术方案中Fe含量为22.6-23％，Cr含量为22-22.2％，V含量为21.5-22％，W含量为15-15.7％，Ta含量为14.6-15％，Si含量为1.0-1.2％，Mn含量为1.0-1.2％，Ti含量为0.4-0.5％，Y含量为0.15-0.18％，C含量为0.1-0.12％。
上述技术方案中Fe含量为22.6％，Cr含量为22％，V含量为22％，W含量为15.7％，Ta含量为15％，Si含量为1.0％，Mn含量为1.0％，Ti含量为0.4％，Y含量为0.15％，C含量为0.1％。
上述技术方案中Fe含量为23％，Cr含量为22.2％，V含量为21.5％，W含量为15％，Ta含量为14.6％，Si含量为1.2％，Mn含量为1.2％，Ti含量为0.5％，Y含量为0.18％，C含量为0.12％。
本发明的目的之二在于提供一种制备上述合金钢的制备方法。
为了实现上述目的，本发明的另一技术方案如下：一种如上所述合金钢的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：按照重量百分含量计准确称取原材料，原材料为Fe、Cr、V、W、Ta、Si、Mn、Ti、Y和C；
步骤2：将步骤1称取的原材料按照熔点从低到高的顺序依次放入铜坩埚中，然后将铜坩埚抽真空，再充入Ar气进行保护；
步骤3：将步骤2装有原材料的铜坩埚进行电弧熔炼，初始电流160-220A，原材料全部溶化后，调整电流为40-70A，保持3-4分钟，熔炼后得到合金锭；
步骤4：将步骤3所得的合金锭冷却后反复的翻转重熔，重复次数为5次以上；
步骤5：将步骤4熔炼好的材料进行热处理，即得到合金钢。
上述技术方案中所述步骤2中抽真空和充Ar气交替重复三次，且抽真空的真空度为1×10-3Pa，Ar气纯度99.999％。
上述技术方案中所述步骤3中初始电流为200-220A,待原材料全部溶化后，调整电流为60A。
上述技术方案中所述步骤4中翻转重熔的重复次数为5次。
上述技术方案中所述步骤5中热处理工艺为：在950-1050℃保持40-60min，然后水冷淬火；在750-800℃保温60-90min，然后空冷回火。
上述技术方案中所述原材料的纯度不低于99.9wt％。
本发明的目的之三在于将上述合金钢应用在反应堆燃料包壳材料中。
本发明的有益效果在于：本发明所提供的合金钢从抗中子辐照、耐液态金属腐蚀、耐高温等性能要求方面考虑，与国际上正在使用或发展的其他核电用钢相比，本发明一方面采用Fe、Cr、W、V、Ta五种合金主元方式，在晶体结构中产生强畸变，增强固溶强化效果并引入较多的缺陷吸收阱，提高材料的机械性能和抗辐照性能，其中Cr是为了确保材料具有足够的强度和韧性以及良好的抗腐蚀能力，W是为了保证材料较高的强度和较低的韧脆转变温度以及减少脆性相的析出，V是为了确保材料的强度和韧性及抗腐蚀能力，Ta是为了控制晶粒生长以确保材料的高温性能；另一方面，添加Si、Mn、Ti、Y、C以提高材料综合性能，其中Si是为了增强材料的机械性能和抗腐蚀性能，Mn是为了增强材料的韧性和强度以及改善加工性能，Ti是为了降低材料的实效敏感性和冷脆性以及提高材料高温稳定性，Y以Y2O3或其他形式加入以达到利用稀土元素细化晶粒提高材料机械性能、腐蚀性能和辐照性能的目的(各原材料元素对辐照损伤和嬗变气体产率的影响如图1所示)，本发明所提供的合金钢具有抗辐照和耐腐蚀性能，适用于先进核能系统快中子辐照和液态金属腐蚀环境，能够满足作为先进核能系统堆芯材料的要求，同时，采用不产生长寿命放射性核素的低活化元素，其作为堆结构材料经过中子辐照后的放射性可以在较短时间内降低至可处置水平，且100年内放射性水平将会达到可远程操作剂量率水平(10mSV/h)，从而降低了核废料处理难度和花费，提高先进核能系统的经济性和安全性，且其也适合在聚变堆中使用。
附图说明
图1为相同服役条件下不同合金元素受到的中子辐照损伤和嬗变气体产率归一化对比；
图2为高通量同位素反应堆中子通量4.78×1022n/cm2下各实施例与对照例所制得的合金钢相对15-15Ti的辐照损伤和嬗变气体产额。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本发明公开了一种合金钢，按重量百分含量计，包括：
主要成分：Fe含量为18-28％(Fe含量可以是18％、19％、20％、25％、26％、27％、28％)，Cr含量为15-25％(Cr含量可以是15％、16％、17％、20％、24％、25％)，V含量为15-25％(V含量可以是15％、16％、17％、20％、24％、25％)，W含量为10-16％(W含量可以是10％、12％、13％、14％、15％、16％)，Ta含量为10-15％(Ta含量可以是10％、12％、13％、14％、15％)，Si含量为0.5-2.0％(Si含量可以是0.5％、0.6％、1％、1.5％、2％)，Mn含量为0.3-1.5％(Mn含量可以是0.3％、0.4％、0.5％、1％、1.2％、1.5％)，Ti含量为0.3-1.5％(Ti含量可以是0.3％、0.4％、0.5％、1％、1.2％、1.5％)，Y含量为0.1-1.5％(Y含量可以是0.1％、0.4％、0.5％、1％、1.2％、1.5％)，C含量为0.05-0.5％(C含量可以是0.05％、0.08％、0.1％、0.3％、0.5％)；
杂质成分：N含量低于0.02％，Mo含量低于0.01％，Ni含量低于0.01％，Co含量低于0.01％，Cu含量低于0.01％，Al含量低于0.01％，Nb含量低于0.001％，B含量低于0.001％，Ag含量低于0.005％，S含量低于0.005％，P含量低于0.005％，Sn含量低于0.005％，As含量低于0.005％，Sb含量低于0.005％，其中，杂质成分并非特意加入，而控制杂质成分含量的原因是：
Mo、Nb、Co、Ag、Ni、Cu、Al、Sn、As、Sb主要是尽可能降低使用后的放射性，从使材料具有低活化特性的角度考虑，降低使用后放射性处理代价；
N在超过溶解度的情况下通常是以非金属夹杂物的形态存在，这些夹杂物通常是疲劳裂纹的萌生地及扩展通道，同时这些夹杂物还会成为结晶核心,在凝固过程中发展成为晶粒缺陷，影响合金的性能；
而在合金熔炼中，O、N、S和P杂质含量的控制显得尤为重要，将决定合金的性能。当然并不是对所有钢种N和S都是有害元素，少量N可以和V、Ta等形成强氮化物提高相稳定性，S则与Mn等形成MnS可以改善材料的加工性能。
本发明所提供的合金钢有较高的机械强度、较好的抗中子辐照性能和耐液态金属腐蚀性能等优越性能，Fe、Cr、W、V、Ta多合金主元产生强晶格畸变，故提高了材料的机械性能和抗辐照性能；Cr、W、Mn、Si、Ti是改善材料强韧性和晶粒大小的合金元素，同时Si元素会促进富Cr氧化层和富Si氧化层的形成，减缓液态金属冷却剂中的氧向基体中的扩散过程，使得材料具有良好的强韧性和耐液态金属腐蚀性能；W、V、Ta、Ti、Y是强纳米氧化物形成元素，形成的纳米析出相在高温下非常稳定，可以有效阻碍位错运动，产生析出强化作用，所以高温下的蠕变性能较好。抗辐照性能方面，相同条件下的中子辐照后，本发明所提供的合金钢相比316L、15-15Ti等奥氏体钢和T91、RAFMs等马氏体钢材料受到辐照损伤降低超过8％，嬗变气体氢氦产率降低超过40％，这些均能够满足先进核能系统设计的要求，同时材料具有低活化特征也使其适用于聚变堆。
上述所述合金钢的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：按照重量百分含量计准确称取原材料，原材料为Fe、Cr、V、W、Ta、Si、Mn、Ti、Y和C；
步骤2：将步骤1称取的原材料按照熔点从低到高的顺序依次放入铜坩埚中，然后将铜坩埚抽真空，再充入Ar气进行保护；
步骤3：将步骤2装有原材料的铜坩埚进行电弧熔炼，初始电流160-220A，原材料全部溶化后，调整电流为40-70A，保持3-4分钟，熔炼后得到合金锭；
步骤4：将步骤3所得的合金锭冷却后反复的翻转重熔，重复次数为5次以上；
步骤5：将步骤4熔炼好的材料进行热处理，即得到合金钢，其中，热处理工艺为：在950-1050℃保持40-60min，然后水冷淬火；在750-800℃保温60-90min，然后空冷回火。
实施例1
本实施例提供了一种合金钢的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：按重量百分含量计，称取原材料Fe、Cr、V、W、Ta、Si、Mn、Ti、Y和C，其中，Fe含量为22.6％、Cr含量为22％、V含量为22％、W含量为15.7％、Ta含量为15％、Si含量为1.0％、Mn含量为1.0％、Ti含量为0.4％、Y含量为0.15％、C含量为0.1％；其中，Y以Y2O3形式加入，其中，原材料的纯度均不低于99.9wt.％；
步骤2：将步骤1称取的原材料按照熔点从低到高的顺序依次放入铜坩埚中，然后将铜坩埚抽真空，再充入Ar气进行保护，其中，抽真空和充Ar气交替重复三次，且抽真空的真空度为1×10-3Pa，Ar气纯度99.999％；
步骤3：将步骤2装有原材料的铜坩埚进行电弧熔炼，初始电流210A，原材料全部溶化后，调整电流为60A，保持3分钟，熔炼后得到合金锭；
步骤4：将步骤3所得的合金锭冷却后反复的翻转重熔，重复次数为5次；
步骤5：将步骤4熔炼好的材料进行热处理(热处理工艺为960℃保温40min，然后水冷淬火；760℃保温90min，然后空冷回火)，即得到合金钢。
本实施例所得到的合金钢在700℃下的屈服强度为325MPa，抗拉强度为375MPa，延伸率为28％，在静态液态金属钠中的腐蚀速率为45μm/y。相同条件中子辐照后(如图2所示)，本实施例提供的合金钢相比15-15Ti受到辐照损伤降低约12.1％，嬗变气体氢、氦产率分别降低约81.3％和81.9％。
实施例2
本实施例提供的合金钢的制备方法与实施例1不同之处在于，步骤1中Fe含量为23％、Cr含量为22.2％、V含量为21.5％、W含量为15％、Ta含量为14.6％、Si含量为1.2％、Mn含量为1.2％、Ti含量为0.5％、Y含量为0.18％、C含量为0.12％；步骤3中初始电流为200A，原材料全部溶化后，调整电流为60A，保持4分钟；步骤4中翻转重熔的重复次数为6次；步骤5中热处理的工艺为1000℃保温50min，然后水冷淬火，780℃保温60min，然后空冷回火。
本实施例所得到的合金钢在700℃下的屈服强度为313MPa，抗拉强度为370MPa，延伸率达到30％，在静态液态金属钠中的腐蚀速率为50μm/y，相同条件中子辐照后(如图2所示)，本实施例提供的合金钢相比15-15Ti受到辐照损伤降低约11.3％，嬗变气体氢、氦产率分别降低约80.1％和81.4％。
实施例3
本实施例提供的合金钢的制备方法与与实施例1不同之处在于，步骤1中Fe含量为27.72％、Cr含量为18％、V含量为24％、W含量为14％、Ta含量为14％、Si含量为0.8％、Mn含量为1.0％、Ti含量为0.4％、Y含量为0.13％、C含量为0.08％；步骤3中初始电流为220A，原材料全部溶化后，调整电流为60A，保持4分钟；步骤4中翻转重熔的重复次数为6次；步骤5中热处理的工艺为980℃保温50min，然后水冷淬火，760℃保温90min，然后空冷回火。
本实施例所得到的合金钢在700℃下的屈服强度为305MPa，抗拉强度为360MPa，延伸率达到26％，在静态液态金属钠中的腐蚀速率为56μm/y，相同条件中子辐照后(如图2所示)，本实施例提供的合金钢相比15-15Ti受到辐照损伤降低约10.6％，嬗变气体氢、氦产率分别降低约81.2％和81％。
实施例4
本实施例提供的合金钢的制备方法与与实施例1不同之处在于，步骤1中Fe含量为18.4％、Cr含量为25％、V含量为24％、W含量为16％、Ta含量为13％、Si含量为1.5％、Mn含量为0.4％、Ti含量为1.2％、Y含量为0.16％、C含量为0.5％；步骤3中初始电流为200A，原材料全部溶化后，调整电流为60A，保持4分钟；步骤4中翻转重熔的重复次数为6次；步骤5中热处理的工艺为1000℃保温60min，然后水冷淬火，780℃保温75min，然后空冷回火。本实施例所得到的合金钢在700℃下的屈服强度为323MPa，抗拉强度为390MPa，延伸率达到32％，在静态液态金属钠中的腐蚀速率为48μm/y，相同条件中子辐照后(如图2所示)，本实施例提供的合金钢相比15-15Ti受到辐照损伤降低约10％，嬗变气体氢、氦产率分别降低约82.3％和80％。
对照例1
本对照例与实施例1的不同之处在于，步骤1中Fe含量为17.4％、Cr含量为25％、V含量为25％、W含量为16％、Ta含量为13％、Si含量为1.5％、Mn含量为0.4％、Ti含量为1.2％、Y含量为0.16％、C含量为0.5％；步骤3中初始电流为200A，原材料全部溶化后，调整电流为60A，保持4分钟；步骤4中翻转重熔的重复次数为6次；步骤5中热处理的工艺为1000℃保温60min，然后水冷淬火，780℃保温75min，然后空冷回火。本实施例所得到的合金钢在700℃下的屈服强度为150MPa，抗拉强度为220MPa，延伸率达到8％，在静态液态金属钠中的腐蚀速率为150μm/y，相同条件中子辐照后(如图2所示)，本对照例提供的合金钢相比15-15Ti受到辐照损伤降低约9.8％，嬗变气体氢、氦产率分别降低约82.7％和80.3％，虽然保持了低的辐照损伤、嬗变气体氢和氦产率，但是强度和性能显著下降，不满足反应堆燃料包壳采材料的服役要求。
对照例2
本对照例与实施例1的不同之处在于，步骤1中Fe含量为28.72％、Cr含量为17％、V含量为24％、W含量为14％、Ta含量为14％、Si含量为0.8％、Mn含量为1.0％、Ti含量为0.4％、Y含量为0.15％、C含量为0.08％；步骤3中初始电流为210A，原材料全部溶化后，调整电流为60A，保持4分钟；步骤4中翻转重熔的重复次数为6次；步骤5中热处理的工艺为960℃保温40min，然后水冷淬火，760℃保温90min，然后空冷回火。本实施例所得到的合金钢在700℃下的屈服强度为110MPa，抗拉强度为185MPa，延伸率达到6％，在静态液态金属钠中的腐蚀速率为200μm/y，相同条件中子辐照后(如图2所示)，本对照例提供的合金钢相比15-15Ti受到辐照损伤降低约10.7％，嬗变气体氢、氦产率分别降低约81.1％和80.9％，虽然保持了低的辐照损伤、嬗变气体氢和氦产率，但是强度和性能显著下降，不满足反应堆燃料包壳采材料的服役要求。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上所述而顺畅地实施本发明；但是，凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种合金钢，其特征在于，按重量百分含量计，包括：
Fe含量为18-28％，Cr含量为15-25％，V含量为15-25％，W含量为10-16％，Ta含量为10-15％，Si含量为0.5-2.0％，Mn含量为0.3-1.5％，Ti含量为0.3-1.5％，Y含量为0.1-1.5％，C含量为0.05-0.5％。
2.根据权利要求1所述的合金钢，其特征在于，Fe含量为22.6-23％，Cr含量为22-22.2％，V含量为21.5-22％，W含量为15-15.7％，Ta含量为14.6-15％，Si含量为1.0-1.2％，Mn含量为1.0-1.2％，Ti含量为0.4-0.5％，Y含量为0.15-0.18％，C含量为0.1-0.12％。
3.根据权利要求2所述的合金钢，其特征在于，Fe含量为22.6％，Cr含量为22％，V含量为22％，W含量为15.7％，Ta含量为15％，Si含量为1.0％，Mn含量为1.0％，Ti含量为0.4％，Y含量为0.15％，C含量为0.1％。
4.根据权利要求2所述的合金钢，其特征在于，Fe含量为23％，Cr含量为22.2％，V含量为21.5％，W含量为15％，Ta含量为14.6％，Si含量为1.2％，Mn含量为1.2％，Ti含量为0.5％，Y含量为0.18％，C含量为0.12％。
5.一种如权利要求1-4任一项所述合金钢的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：按照重量百分含量计准确称取原材料，原材料为Fe、Cr、V、W、Ta、Si、Mn、Ti、Y和C；
步骤2：将步骤1称取的原材料按照熔点从低到高的顺序依次放入铜坩埚中，然后将铜坩埚抽真空，再充入Ar气进行保护；
步骤3：将步骤2装有原材料的铜坩埚进行电弧熔炼，初始电流160-220A，原材料全部溶化后，调整电流为40-70A，保持3-4分钟，熔炼后得到合金锭；
步骤4：将步骤3所得的合金锭冷却后反复的翻转重熔，重复次数为5次以上；
步骤5：将步骤4熔炼好的材料进行热处理，即得到合金钢。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2中抽真空和充Ar气交替重复三次，且抽真空的真空度为1×10-3Pa，Ar气纯度99.999％。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3中初始电流为200-220A,待原材料全部溶化后，调整电流为60A。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤4中翻转重熔的重复次数为5次。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤5中热处理工艺为：在950-1050℃保持40-60min，然后水冷淬火；在750-800℃保温60-90min，然后空冷回火。
10.根据权利要求5-9任一项所述的制备方法，其特征在于，所述原材料的纯度不低于99.9wt％。
11.一种如权利要求1-4任一项所述合金钢或如权利要求5-10任一项所述制备方法所制备的合金钢在反应堆燃料包壳材料中的应用。
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