CN115233113B - 含有钽元素的不锈钢合金、不锈钢制品及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种含有钽元素的不锈钢合金、不锈钢制品及其制备方法，包括如下重量百分比的原料：C0.04‑0.15％；Cr16.0‑20.0％；Ni20.0‑28.0％；Al3.0‑5.0％；Mn1.2‑3.0％；Ti0.05‑0.5％；V≤0.5％；Nb≤1.0％；Ta0.01‑1.0％；Mo1.3‑2.5％；Cu0.01‑2.0％；B≤0.005％；Si≤0.3％；N≤0.005％；O≤0.005％；S≤0.005％；P≤0.01％；余量的Fe。根据本申请的含有钽元素的不锈钢合金，能够耐高温液态铅铋腐蚀性能。

Description

含有钽元素的不锈钢合金、不锈钢制品及其制备方法
技术领域
本申请属于材料技术领域，具体涉及一种含有钽元素的不锈钢合金、不锈钢制品及其制备方法。
背景技术
目前，奥氏体不锈钢是一种综合性能优异的结构材料，耐蚀性好、高温力学性能优良，并且易于加工制造。
但是，随着奥氏体不锈钢应用领域的不断扩展，这对其耐蚀性能和力学性能提出了更高要求。现有技术中的奥氏体不锈钢合金的耐腐蚀性能和力学性能仍有欠缺，在高温液态铅铋环境中会发生严重的溶解腐蚀和氧化腐蚀，尤其是在550-650℃的高温液态铅铋环境，无法满足长期服役的使用需求。
因此，如何提供一种能够耐高温液态铅铋腐蚀性能的含有钽元素的不锈钢合金、不锈钢制品及其制备方法成为本领域技术人员急需解决的问题。
发明内容
因此，本申请要解决的技术问题在于提供一种含有钽元素的不锈钢合金、不锈钢制品及其制备方法，能够耐高温液态铅铋腐蚀性能。
为了解决上述问题，本申请提供一种含有钽元素的不锈钢合金，包括如下重量百分比的原料：
C 0.04-0.15％；Cr 16.0-20.0％；Ni 20.0-28.0％；Al 3.0-5.0％；Mn 1.2-3.0％；Ti 0.05-0.5％；V≤0.5％；Nb≤1.0％；Ta 0.01-1.0％；Mo 1.3-2.5％；Cu 0.01-2.0％；B≤0.005％；Si≤0.3％；N≤0.005％；O≤0.005％；S≤0.005％；P≤0.01％；余量的Fe。
进一步地，含有钽元素的不锈钢合金包括如下重量百分比的原料：C0.04-0.15％；Cr 16.0-20.0％；Ni 20.0-28.0％；Al 3.0-5.0％；Mn 1.2-3.0％；Ti 0.3-0.5％；V≤0.5％；Nb≤1.0％；Ta 0.01-1.0％；Mo 1.3-2.5％；Cu 0.01-2.0％；B≤0.005％；Si≤0.1％；N≤0.0015％；O≤0.0015％；S≤0.0015％；P≤0.01％；余量的Fe。
进一步地，含有钽元素的不锈钢合金包括全奥氏体相基体和均匀分布地细小弥散的MC碳化物和NiAl相；MC碳化物和NiAl相的尺寸不大于0.5μm；
和/或，在550-650℃的液态铅铋环境中，含有钽元素的不锈钢合金的表面形成致密稳定的氧化铝膜。
进一步地，含有钽元素的不锈钢合金中，V和Nb中，至少一种的含量大于0；
和/或，含有钽元素的不锈钢合金中，5(C的含量)≤(V+Nb+Ta)的含量≤15(C的含量)；
和/或，含有钽元素的不锈钢合金应用于液态铅铋环境；
和/或，含有钽元素的不锈钢合金用于制造铅基快堆燃料包壳；
和/或，含有钽元素的不锈钢合金的显微组织构成为全奥氏体相，不含铁素体相。
根据本申请的再一方面，提供了一种不锈钢材制品，不锈钢制品采用如上述含有钽元素的不锈钢合金制成。
根据本申请的再一方面，提供了一种上述不锈钢制品的制备方法，包括如下步骤:对原料进行冶炼，获得钢锭；再对钢锭依次进行锻造、冷轧、固溶处理、冷变形和时效处理。
进一步地，对原料进行冶炼采用双真空熔炼的方式。
进一步地，固溶处理的温度为1050-1100℃；和/或，固溶处理的时间为5-30min。
进一步地，冷变形中，不锈钢制品的变形量为5-30％。
进一步地，时效处理的温度为700-850℃；和/或，时效处理的时间为5-15h。
本申请提供的含有钽元素的不锈钢合金、不锈钢制品及其制备方法，本申请针对可在高温液态铅铋腐蚀环境中使用的含有钽元素的不锈钢合金，通过多种合金元素协同优化，获得优异的耐高温液态铅铋腐蚀性能，同时保持全奥氏体基体组织并引入细小弥散的MC碳化物和NiAl相析出，具有优异的室温和高温力学性能。可满足铅基快堆包壳结构材料的性能需求，本申请能够耐高温液态铅铋腐蚀性能，以满足铅基快堆高温液态铅铋腐蚀环境。
附图说明
图1为本申请实施例1的奥氏体不锈钢600℃液态铅铋腐蚀1000h氧化膜形貌图；
图2为本申请实施例2的奥氏体不锈钢600℃液态铅铋腐蚀1000h氧化膜形貌图；
图3为本申请实施例3的奥氏体不锈钢600℃液态铅铋腐蚀1000h氧化膜形貌图；
图4为本申请实施例3的奥氏体不锈钢600℃液态铅铋腐蚀1000h氧化膜形貌图；
图5为本申请对比例的奥氏体不锈钢600℃液态铅铋腐蚀1000h氧化膜形貌。
具体实施方式
结合参见图1-5所示，一种含有钽元素的不锈钢合金，包括如下重量百分比的原料：
C 0.04-0.15％；Cr 16.0-20.0％；Ni 20.0-28.0％；Al 3.0-5.0％；Mn 1.2-3.0％；Ti 0.05-0.5％；V≤0.5％；Nb≤1.0％；Ta 0.01-1.0％；Mo 1.3-2.5％；Cu 0.01-2.0％；B≤0.005％；Si≤0.3％；N≤0.005％；O≤0.005％；S≤0.005％；P≤0.01％；余量的Fe。
本申请含有钽元素的不锈钢合金，具体为耐高温液态铅铋腐蚀的奥氏体不锈钢，在高温(550-650℃)液态铅铋环境中能够于材料表面形成致密稳定的自生氧化铝膜，耐蚀性优异，同时通过5％-30％变形量的冷加工预变形与700-800℃时效处理引入MC碳化物和NiAl相，并通过冷加工变形工艺和时效热处理工艺的搭配选择控制其析出行为获得良好的材料力学性能。
本申请针对可在高温液态铅铋腐蚀环境中使用的含有钽元素的不锈钢合金，通过多种合金元素协同优化，获得优异的耐高温液态铅铋腐蚀性能，同时保持全奥氏体基体组织并引入析出细小弥散的MC碳化物和NiAl相，具有优异的室温和高温力学性能。可满足铅基快堆包壳结构材料的性能需求。
本申请的耐高温液态铅铋腐蚀含有钽元素的不锈钢合金，其组分中含有较高的Ni、Al元素含量。联合添加Ni、Al元素能够使合金中析出NiAl相，提高材料表面氧化铝膜的自愈能力，同时改善合金的室温强度和高温塑性。Ni元素在液态铅铋合金中具有较高溶解度，所以其添加量存在上限(20.0-28.0wt.％)。在Ni元素含量范围确定的前提下，Al元素添加量存在上限(3.0-5.0wt.％)，过量添加Al元素会引发铁素体相的显著析出。
NiAl元素的长大倾向性较高，析出后易于粗化，降低合金的力学性能。因此，本申请的耐高温液态铅铋腐蚀含有钽元素的不锈钢合金在添加Al、Ni元素的同时添加Ti元素。Ti元素在NiAl相中存在一定的固溶度，Ti元素进入NiAl相后能够通过提高晶格畸变能改善析出相的尺寸稳定性，降低其长大倾向，减小NiAl相的颗粒尺寸，使NiAl相不大于0.5μm，并改善析出相分布均匀性，优化合金的耐蚀性能和力学性能。但Ti元素具有较高的氧化性，过多添加会在材料表面优先氧化，影响氧化铝膜的形成，所以在本申请的耐高温液态铅铋腐蚀含有钽元素的不锈钢合金中，存在Ti元素的最佳含量范围(0.05-0.5wt.％)。
本申请的耐高温液态铅铋腐蚀含有钽元素的不锈钢合金，其组分中含有较高的Al、Cr元素含量，用以在高温液态铅铋环境中形成稳定、致密、连续的保护性氧化膜，提高材料耐蚀性。Al元素为铁素体形成元素，单纯提高Al元素含量促进材料表面氧化膜形成易引发大量铁素体析出。因此在添加Al元素的同时协同提高Cr元素含量能够更有效的促进氧化膜形成。Cr元素能够提高Al元素的扩散系数，降低550-650℃在材料表面形成氧化铝膜所需的临界Al含量，提高氧化铝膜的稳定性。此外，在氧化铝膜局部失效时Cr元素能够快速形成氧化铬膜进行补充保护，提高氧化铝膜致密度。因此，联合添加Al、Cr元素能够获得较单纯添加Al元素或Cr元素更优的氧化保护效果，以更低的Al+Cr元素总量获得更高的氧化层形成倾向和更低的铁素体析出倾向。
本申请的耐高温液态铅铋腐蚀含有钽元素的不锈钢合金，其组分中含有Nb、Ta元素，用以提高材料的耐蚀性和力学性能。Al元素为铁素体形成元素，在奥氏体基体中扩散速率较慢。Nb、Ta元素，尤其是Ta元素具有较大的原子半径，能够在基体中产生显著晶格畸变。Nb、Ta元素与Al元素联合添加能够有效增大Al元素在奥氏体相中的扩散速率，降低550-650℃在材料表面形成氧化铝膜所需的临界Al含量，促进氧化铝膜的形成。
本申请的耐高温液态铅铋腐蚀含有钽元素的不锈钢合金中含有多种MC碳化物形成元素，如Nb、Ta、V等，这些元素联合添加能够使MC碳化物的组分合金化，增大元素偏聚几率，提高MC碳化物形核率，促进MC碳化物析出。此外，Nb、Ta元素，尤其是Ta元素具有较大的原子半径，能够降低MC长大所需元素扩散的速率，提高MC碳化物的尺寸稳定性，改善合金的力学性能，所以MC碳化物形成元素Nb、Ta、V在该合金中种类不能少于2种，同时存在最优含量范围{5(C的含量)≤(V+Nb+Ta)的含量≤15(C的含量)}。若添加量过少MC碳化物形成数量不足，合金力学性能降低。若添加量过多MC碳化物聚集粗化，恶化合金力学性能。
本申请的耐高温液态铅铋腐蚀含有钽元素的不锈钢合金，其组分中含有Ni、Mn、Cu、C、N元素，用以提高奥氏体相稳定性，保证合金基体的单奥氏体相构成。为保证合金的耐蚀性，材料中含有较多Al、Cr、Nb、Ta等元素，这些元素均为铁素体形成元素，合金中铁素体析出倾向较高，需要保证奥氏体基体的稳定性。Ni元素在液态铅铋合金中具有较高溶解度，所以其添加量存在上限。N元素易于与Al元素结合形成氮化物，造成合金中Al元素的损耗抑制表面氧化铝膜的形成，所以在添加Al元素的同时需降低N含量，合金中N含量存在上限(≤0.0015wt.％)。C元素含量涉及MC碳化物析出控制考虑，其存在最佳范围(0.04-0.15wt.％)。Mn元素在液态铅铋合金中具有较高溶解度，同时过量添加会影响合金力学性能，所以其添加量存在上限(1.2-3.0％)。为此，为保证合金组织稳定性，该合金中还需添加Cu元素以提高奥氏体基体组织稳定性，避免铁素体相析出。
本申请的耐高温液态铅铋腐蚀含有钽元素的不锈钢合金，其组分中含有较低的Si、O、S含量。这能够避免材料表面形成其他类型的氧化物，提高材料表面氧化铝膜的连续性和稳定性。
本申请还公开了一些实施例，含有钽元素的不锈钢合金包括如下重量百分比的原料：C 0.04-0.15％；Cr 16.0-20.0％；Ni 20.0-28.0％；Al 3.0-5.0％；Mn 1.2-3.0％；Ti0.3-0.5％；V≤0.5％；Nb≤1.0％；Ta 0.01-1.0％；Mo 1.3-2.5％；Cu 0.01-2.0％；B≤0.005％；Si≤0.1％；N≤0.0015％；O≤0.0015％；S≤0.0015％；P≤0.01％；余量的Fe。本申请进一步针对可在高温液态铅铋腐蚀环境中使用的含有钽元素的不锈钢合金，通过多种合金元素协同优化，在该范围内，能够更好的获得优异的耐高温液态铅铋腐蚀性能，同时保持全奥氏体基体组织并引入析出细小弥散的MC碳化物和NiAl相，具有优异的室温和高温力学性能，能够耐高温液态铅铋腐蚀性能，可满足铅基快堆包壳结构材料的性能需求。
本申请还公开了一些实施例，含有钽元素的不锈钢合金包括全奥氏体相基体和均匀分布有细小弥散的MC碳化物和NiAl相；MC碳化物和NiAl相的尺寸不大于0.5μm；本申请通过引入MC碳化物和NiAl相并控制其析出行为获得良好的材料力学性能。因此，本申请能够具有良好的材料力学性能。控制其析出行为主要是从合金成分，冷加工变形的变形量和时效处理的具体温度和时间实现控制。
为使得MC碳化物和NiAl相的尺寸不大于0.5μm，本申请主要采取了如下的3个措施：
第一是合金成分，要求V和Nb中至少含有一种，同时控制这两种元素的含量；要求含有Ti、Ta元素，并控制这两种元素的含量。
第二是要施加冷变形，引入缺陷，为MC和NiAl相析出提供形核位置；
第三是进行时效处理，提供合适的温度和时间让这两种析出相析出。
为使得本申请的耐高温液态铅铋腐蚀含有钽元素的不锈钢合金在550-650℃的液态铅铋环境中，含有钽元素的不锈钢合金的表面形成氧化铝膜，具有优异的耐蚀性，本申请采取了如下的3个措施：
第一是合金成分，添加Al元素，同时协同提高Cr元素含量，协同添加Ta元素，协同添加Nb、V元素中的一至两种，协同降低Ti、N元素含量。
第二是要施加冷变形，引入位错，提高Al元素在奥氏体基体中的扩散速率，提高氧化铝膜的形成速率。
第三是进行时效处理，在合金基体中提前析出NiAl相为氧化铝膜形成提高Al元素，并且在时效过程中在合金表面预先形成氧化铝膜，预先保护合金基体。
本申请还公开了一些实施例，含有钽元素的不锈钢合金中，添加Ta元素。并且在V、Nb中，至少含有一种；V、Nb中任意一种的含量大于0，或者两种的含量大于0，能够使本申请的含有钽元素的不锈钢合金材料在冷变形后的时效处理过程中获得不少于3vol.％的大量MC碳化物析出，并使MC碳化物合金化，增强其稳定性提高合金的力学性能。
本申请还公开了一些实施例，含有钽元素的不锈钢合金中，5(C的含量)≤(V+Nb+Ta)的含量≤15(C的含量)；此处，C的含量和C的含量均为重量百分比，V、Nb和Ta的含量在该公式的范围内，能够使得本申请的含有钽元素的不锈钢合金材料在冷变形后的时效处理过程中获得不少于3vol.％的MC碳化物析出，并使MC碳化物合金化，增强其稳定性提高合金的力学性能。
本申请还公开了一些实施例，含有钽元素的不锈钢合金应用于液态铅铋环境；本申请含有钽元素的不锈钢合金的应用广泛，其能够适用于液态铅铋环境，也能满足在高温下液态铅铋的环境需要。
本申请还公开了一些实施例，含有钽元素的不锈钢合金用于制造铅基快堆燃料包壳。本申请含有钽元素的不锈钢合金还能制造铅基快堆燃料包壳，当采用液态铅铋作为冷却介质时，本申请能够更好的起到作用，不被腐蚀，且材料力学性能也满足要求。
本申请还公开了一些实施例，所述含有钽元素的不锈钢合金的显微组织构成为全奥氏体相，不含铁素体相，铁素体相会降低奥氏体不锈钢的力学性能和耐蚀性能，本申请能够避免铁素体形成，获得全奥氏体组织。提高合金的力学性能和加工性能。
本申请含有钽元素的不锈钢合金，即耐高温液态铅铋腐蚀的含有钽元素的不锈钢合金在600℃液态铅铋中腐蚀1000小时腐蚀层厚度不超过15μm；合金的室温屈服强度Rp0.2≥700MPa，抗拉强度Rm≥800MPa，延伸率A％≥10％；600℃高温拉伸的屈服强度Rp0.2≥500MPa，抗拉强度Rm≥700MPa，延伸率A％≥15％；650℃高温拉伸的屈服强度Rp0.2≥500MPa，抗拉强度Rm≥680MPa，延伸率A％≥20％。本申请耐腐蚀性能良好，且材料力学性能良好。
根据本申请的实施例，提供了一种不锈钢材制品，不锈钢制品采用上述含有钽元素的不锈钢合金制成。
根据本申请的实施例，提供了一种上述不锈钢制品的制备方法，包括如下步骤:对原料进行冶炼，获得钢锭；再对钢锭依次进行锻造、冷轧、固溶处理、冷变形和时效处理。本申请采用上述方式以将本申请的不锈钢合金制成不锈钢制品，比如包壳管等，以使得其能够应用于高温液态铅铋环境中。
本申请还公开了一些实施例，对原料进行冶炼采用双真空熔炼的方式。
本申请还公开了一些实施例，固溶处理的温度为1050-1100℃；和/或，固溶处理的时间为5-30min。本申请根据本申请的各个元素以及其配比，采用该固溶处理的参数，能够保证管材具有适宜的晶粒度。
本申请还公开了一些实施例，冷变形中，不锈钢制品的变形量为5-30％。
本申请还公开了一些实施例，时效处理的温度为700-850℃；和/或，时效处理的时间为5-15h。
本申请耐高温液态铅铋腐蚀的含有钽元素的不锈钢合金，其具体制备方法包含以下步骤：采用双真空熔炼工艺获得合金铸锭；铸锭经锻造和冷轧制备成无缝管材；根据合金碳化物形成元素(Nb、Ta、V)含量，为保证管材具有适宜的晶粒度，在1080℃对无缝管材进行15min的固溶处理；进一步地在固溶处理后对管材进行20％的冷轧冷变形，随后根据合金碳化物形成元素(Nb、Ta、V)含量和NiAl相形成元素(Ni、Al、Ti)含量,为保证MC碳化物和NiAl相的良好析出状态，以及在材料表面预先形成氧化铝膜，再对管材进行750℃/8h的时效处理。
实施例
实施例1-4和对比例
实施例1-4和对比例的具体制备方法均包含以下步骤：采用双真空熔炼工艺获得合金铸锭；铸锭经锻造和冷轧制备成无缝管材；管材在1080℃固溶处理15min后进行变形量为20％冷轧冷变形，随后再在750℃进行8h的时效处理。各个实施例以及对比例的元素配比如表1所示：
表1对比例和实施例含有钽元素的不锈钢合金的化学成分(wt.％)
对比例 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4
C 0.06 0.04 0.15 0.08 0.10
Cr 15 20 16 16 18
Ni 15 20 28 25 23
Al / 3 5 4.5 3.5
Mn 1.0 1.2 3.0 1.5 1.8
Ti 0.3 0.05 0.5 0.3 0.35
V / 0.45 / 0.2 0.3
Nb / / 0.5 1.0 0.3
Ta / 1.0 0.2 0.01 0.5
Mo 1.2 1.3 2.5 2.1 1.7
Cu / 1.0 0.01 2.0 0.8
Si 0.4 0.1 0.3 0.09 0.22
B ≤0.005 ≤0.005 ≤0.005 ≤0.005 ≤0.005
N ≤0.0015 ≤0.0015 ≤0.0015 ≤0.0015 ≤0.0015
O ≤0.0015 ≤0.0015 ≤0.0015 ≤0.0015 ≤0.0015
S ≤0.0015 ≤0.0015 ≤0.0015 ≤0.0015 ≤0.0015
P ≤0.0015 ≤0.0015 ≤0.0015 ≤0.0015 ≤0.0015
Fe Bal. Bal. Bal. Bal. Bal.
性能测试
1、拉伸性能测试：在室温、600℃和650℃对上述对比例、实施例1-4进行拉伸性能测试，测试结果如表2所示：
表2含有钽元素的不锈钢合金室温与高温拉伸力学性能
Figure BDA0003742654240000091
2、形貌记录：在600℃高温液态铅铋共晶合金中对上述对比例、实施例1、实施例2和实施例3进行腐蚀实验，腐蚀1000h后的氧化层形貌分别如图1、图2、图3和图4所示。
3、性能：经检测，本申请不锈钢在600℃液态铅铋中腐蚀1000小时腐蚀层厚度不超过15μm；合金的室温屈服强度Rp0.2≥700MPa，抗拉强度Rm≥800MPa，延伸率A％≥10％；600℃高温拉伸的屈服强度Rp0.2≥500MPa，抗拉强度Rm≥700MPa，延伸率A％≥15％；650℃高温拉伸的屈服强度Rp0.2≥500MPa，抗拉强度Rm≥680MPa，延伸率A％≥20％。
综上，与现有技术对比，本申请侧重针对高温液态铅铋腐蚀环境下材料耐腐蚀性的提高。通过多种合金元素协同优化本发明研制的材料能够形成致密、稳定的氧化膜，有效减轻基体腐蚀，同时具有良好的第二相析出形态，在室温和高温均表现出优异的耐蚀性和力学性能。
本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。
以上仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。以上仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本申请的保护范围。

Claims (6)

1.一种不锈钢制品的制备方法，其特征在于，所述不锈钢合金含有钽元素，包括如下重量百分比的原料：
C 0.04-0.15%；Cr 16.0-20.0%；Ni 20.0-28.0%；Al 3.0-5.0%；Mn 1.2-3.0%；Ti 0.05-0.5%；V ≤0.5%；Nb ≤1.0%；Ta 0.01-1.0%；Mo 1.3-2.5%；Cu 0.01-2.0%；B ≤0.005%；Si≤0.3%；N ≤0.005%；O ≤0.005%；S ≤0.005%；P ≤0.01%；余量的Fe；
所述制备方法包括如下步骤：
对原料进行冶炼，获得钢锭；再对所述钢锭依次进行锻造、冷轧、固溶处理、冷变形和时效处理；所述冷变形中，所述不锈钢制品的变形量为5-30%；所述时效处理的温度为700-850℃，以引入MC碳化物和NiAl相；所述时效处理的时间为5-15h。
2.根据权利要求1中所述的制备方法，其特征在于，对原料进行冶炼采用双真空熔炼的方式。
3.根据权利要求1中所述的制备方法，其特征在于，所述固溶处理的温度为1050-1100℃；和/或，所述固溶处理的时间为5-30min。
4. 根据权利要求1中所述的制备方法，其特征在于，所述不锈钢合金包括如下重量百分比的原料：C 0.04-0.15%；Cr 16.0-20.0%；Ni 20.0-28.0%；Al 3.0-5.0%；Mn 1.2-3.0%；Ti 0.3-0.5%；V ≤0.5%；Nb ≤1.0%；Ta 0.01-1.0%；Mo 1.3-2.5%；Cu 0.01-2.0%；B ≤0.005%；Si≤0.1%；N ≤0.0015%；O ≤0.0015%；S ≤0.0015%；P ≤0.01%；余量的Fe。
5.根据权利要求1中所述的制备方法，其特征在于，所述不锈钢合金包括全奥氏体相基体和均匀分布有细小弥散的MC碳化物和NiAl相；所述MC碳化物和NiAl相的尺寸不大于0.5μm；
和/或，在550-650℃的液态铅铋环境中，所述不锈钢合金的表面形成致密稳定的氧化铝膜。
6.根据权利要求1中所述的制备方法，其特征在于，所述不锈钢合金中，V、Nb中，至少一种的含量大于0；
和/或，所述不锈钢合金中，5（C的含量）≤（V+Nb+Ta）的含量≤15（C的含量）；
和/或，所述不锈钢合金应用于液态铅铋环境；
和/或，所述不锈钢合金用于制造铅基快堆燃料包壳；
和/或，所述不锈钢合金的显微组织构成为全奥氏体相，不含铁素体相。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115595511B (zh) * 2022-10-26 2023-07-14 四川大学 一种耐液态铅铋腐蚀的含铝奥氏体不锈钢及其制备方法
CN116970875B (zh) * 2023-09-25 2023-12-15 上海核工程研究设计院股份有限公司 一种含钽铁素体耐热钢及其制造方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109504915A (zh) * 2018-12-22 2019-03-22 中南大学 一种含铜钽高强度高耐蚀奥氏体不锈钢及其制备方法

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5873950A (en) * 1996-06-13 1999-02-23 Inco Alloys International, Inc. Strengthenable ethylene pyrolysis alloy
SG192478A1 (en) * 2011-05-26 2013-08-30 United Pipelines Asia Pacific Pte Ltd Austenitic stainless steel
US8815146B2 (en) * 2012-04-05 2014-08-26 Ut-Battelle, Llc Alumina forming iron base superalloy
CN105568151B (zh) * 2016-01-29 2018-01-02 北京科技大学 一种铝增强马氏体时效钢及其制备方法
WO2022123812A1 (ja) * 2020-12-10 2022-06-16 日立金属株式会社 オーステナイト系ステンレス鋼帯の製造方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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