CN116970875A - 一种含钽铁素体耐热钢及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种含钽铁素体耐热钢，该钢材成分按重量比计包括：Cr：20.0%‑25.0%，Ta：1.2%‑3.8%，Al：2.5%‑6.5%，Y：0.03%‑0.15%，Ti：0.01%‑0.05%，C：0.05%‑0.07%，N<0.005%，余量为Fe和不可避免的杂质。该钢材能够在表面原位形成致密的α‑氧化铝陶瓷阻氚层，并在900℃以下可长期稳定服役。本发明还提供一种含钽铁素体耐热钢的制造方法。
Description
技术领域
本发明属于受控核聚变领域，具体涉及一种含钽铁素体耐热钢及其制造方法。
背景技术
磁约束氘-氚核聚变反应堆是实现核聚变能源开发利用的主流途径，其利用氢的同位素氘、氚作为聚变燃料，通过氘与氚的反应产生能量。
氘-氚核聚变反应堆中，包层是生产作为燃料的氚以及将中子的动能转变为热能的核心部件，包层内设置有大量的流道用于冷却剂和液体增殖剂的流动。目前，包层的候选结构材料有低活化铁素体-马氏体（RAFM）钢、钒合金、SiC/SiC复合材料，它们的使用温度分别是550℃、610℃、1400℃左右。
为了提高氘-氚核聚变反应堆的发电效率，需要实现包层冷却剂的高温化。若将冷却剂氦气的出口温度提升至900℃，则发电效率可达50%。在现有的候选结构材料中，只有SiC/SiC复合材料满足包层冷却剂的高温化要求。但是，要使SiC/SiC复合材料作为包层的结构材料，在工程上是极大的挑战。
为此，本发明提供一种含钽铁素体耐热钢，其使用温度可达900℃，能满足包层冷却剂的高温化需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种含钽铁素体耐热钢，在其表面能原位形成致密的α-氧化铝陶瓷阻氚层，并在900℃以下长期稳定服役。本发明还提供一种含钽铁素体耐热钢的制造方法。
根据本发明一个方面的实施例，提供一种含钽铁素体耐热钢，按重量比计，其成分包括：Cr：20.0%-25.0%，Ta：1.2%-3.8%，Al：2.5%-6.5%，Y：0.03%-0.15%，Ti：0.01%-0.05%，C：0.05%-0.07%，N<0.005%，余量为铁和不可避免的杂质。
该耐热钢严格控制C含量，并在合金中加入较多的Cr与Al元素，抑制800℃以上时铁素体向奥氏体的转变，防止加热与冷却过程中钢材基体发生固态相变。同时，该耐热钢中的Al元素在高温氧化条件下能够发生选择性氧化，原位生成α-氧化铝阻氚层。Y是为了提高α-Al2O3的附着力；Ta、Ti起强化作用，与C、N形成的细小碳氮化物将改善钢材的耐中子辐照性能；C、N是为了生成细小的碳氮化物以提高钢材的强度和耐中子辐照性能。本发明的含钽铁素体耐热钢，具有耐高温、耐腐蚀/氧化、抗中子辐照肿胀等特性，使用温度可达900℃，可用作氘-氚核聚变反应堆包层的结构材料。
进一步地，在部分实施例中，该含钽铁素体耐热钢还包括Sn，按重量比计，Sn含量为0.05%-0.5%。Sn元素的添加则能够提高钢材表面α-氧化铝层的致密性，以改善钢材的高温氧化性能。
进一步地，在部分实施例中，Sn元素固溶于铁素体中。
进一步地，在部分实施例中，耐热钢基体为单一的铁素体。
进一步地，在部分实施例中，耐热钢的基体为等轴晶组织。耐热钢基体为铁素体，在高温下不发生固态相变，具有稳定的高温力学性能。
进一步地，在部分实施例中，所述含钽铁素体耐热钢在900℃-1300℃的高温氧化性介质中，能够在表面原位生成致密的α-氧化铝陶瓷层，所述氧化性介质包括氧气、水蒸气或空气。该α-氧化铝层耐辐照，与基材具有良好的结合，不易发生剥离。
根据本发明另一个方面的实施例，提供一种含钽铁素体耐热钢的制造方法，用于制造前述任一实施例中的含钽铁素体耐热钢，该方法包括以下步骤：按照成分配比熔炼原料，浇注得到合金铸锭；将所述合金铸锭在1150℃-1300℃下进行热锻，得到合金锻材；将所述合金锻材在1050℃-1150℃下进行热轧，得到热轧件；将所述热轧件在1000℃-1100℃下进行退火。
进一步地，在部分实施例中，在热轧后还包括冷轧步骤。冷轧加工使基体铁素体晶粒发生塑性变形，在后续退火处理时变形晶粒发生再结晶，以形成等轴晶组织。
进一步地，在部分实施例中，所述冷轧步骤中，冷轧加工的累计下压率为30-80%。
附图说明
图1为一实施例中带有α-氧化铝陶瓷层的耐热钢透射电镜照片。
上述附图的目的在于对本发明作出进一步的详细说明，以便本领域技术人员能够理解本发明的技术构思，而非旨在限制本发明。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作出进一步的详细说明。
本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本文的至少一个实施例中。在说明书的各个位置出现的该短语并不一定指代同一实施例，也并非限定为互斥的独立或备选的实施例。本领域技术人员应当能够理解，在不发生结构冲突的前提下本文中的实施例可以与其他实施例相结合。本文的描述中，“多个”的含义是至少两个。
在氘-氚核聚变反应堆的包层内，有大量的流道用于冷却剂和液体增殖剂的流动。在RAFM钢、钒合金、SiC/SiC复合材料这三种包层候选结构材料中，只有SiC/SiC复合材料能满足包层冷却剂的高温化要求。然而，要将SiC/SiC复合材料用于包层流道的构筑，目前SiC/SiC复合材料的制造工艺尚难以克服，无法投入工程应用。
为此，本发明一个方面的实施例，提供了一种含钽铁素体耐热钢，该钢材的使用温度可达900℃，并能够在表面形成致密的α-氧化铝陶瓷阻氚层。该钢材可替代SiC/SiC复合材料，满足包层冷却剂的高温化要求。
按重量比计，该钢材成分包括：Cr：20.0%-25.0%，Ta：1.2%-3.8%，Al：2.5%-6.5%，Y：0.03%-0.15%，Ti：0.01%-0.05%，C：0.05%-0.07%，N<0.005%，余量为Fe和不可避免的杂质。在该钢材中还可有0.05%-0.5%的Sn。该含钽铁素体耐热钢严格控制C含量，并在钢材中加入较多的Cr与Al元素，以确保钢材基体在热加工过程中是单相的铁素体。通过选择性氧化，钢材中的Al元素在高温氧化条件下能原位生成α-氧化铝陶瓷阻氚层。Sn元素的添加则能够提高钢材表面α-氧化铝层的致密度，以改善钢材的高温氧化性能。其中，钢材基体为铁素体的等轴晶组织，Sn元素以固溶形式存在于铁素体基体中。在钢材中添加Y，是为了提高α-Al2O3的附着力。钢材中有1.2%-3.8%的Ta，目的是为了充分发挥Ta对钢材基体的强化作用。Ta有两种强化途径，固溶强化是主要途径，固溶在铁素体基体中的Ta保证了钢材的蠕变性能，而少部分Ta以碳氮化物形式析出而改善蠕变性能和耐中子辐照性能。加Ti的目的，是为了促进Ta的碳氮化物的充分析出。C、N的添加是为了保证析出细小的碳氮化物而产生大量的相界面，为间隙原子和空位等辐照缺陷的复合/湮灭提供场所，以此降低钢材基体的辐照损伤,从而提高钢材的耐辐照性能。由于是易活化元素，N含量应不大于0.005%。
在900℃-1300℃的水蒸气、氧气、空气等高温氧化介质中，该耐热钢中的合金元素Al发生选择性氧化而在钢材表面原位生成α-Al2O3层。该α-Al2O3层具有理想的阻氚渗透的效果。
在一个优选实施例中，该含钽铁素体耐热钢的制造过程如下：
首先，利用真空感应炉对原料进行熔炼，原料组分按重量比计包括：25.0%Cr，3.2%Ta，5.5%Al，0.15%Y，0.05%的Ti，0.07% 的C，0.004%的N，余量为Fe。熔炼后浇注，得到合金铸锭。
将合金铸锭在1200℃±50℃进行热锻加工，得到合金锻材。
将合金锻材切割、加工成棒材，送入加热炉加热、穿孔，在1100±50℃下轧制为热轧管。
将热轧管进行冷拔与冷轧，加工至所需尺寸，再在1100℃下退火，得到成品含钽铁素体耐热钢管。
对钢管内壁进行保护处理，在1050℃的动态水蒸气中对钢管外壁进行氧化处理。如图1所示，钢材中的Al元素通过选择性氧化，在铁素体基体2的表层原位生成约250nm厚的致密的α-氧化铝薄膜1。
在另一个优选实施例中，该含钽铁素体耐热钢的制造过程如下：
首先，利用真空感应炉对原料进行熔炼，原料组分按重量比计包括：23.0%Cr，1.2%Ta，2.5%Al，0.03%Y，0.01%的Ti，0.05%的C，0.004%的N，余量为Fe。熔炼后浇注，得到合金铸锭。
将合金铸锭在1250℃下进行热锻加工，得到合金锻材。
将合金锻材送入加热炉加热并在1120℃下轧制为热轧板材。
将热轧板材进行冷轧，再在1100℃下退火，得到成品含钽铁素体耐热钢板材。
在1000℃动态氧气中对板材表面进行氧化处理，钢材基体中的Al形成致密α-氧化铝陶瓷层。
在又一个优选实施例中，该含钽铁素体耐热钢的制造过程如下：
首先，利用真空感应炉对原料进行熔炼，原料组分按重量比计包括：
22.0%Cr，2.5%Ta，4.0%Al，0.09%Y，0.04%的Ti，0.06%的C，0.004%的N，0.5%的Sn，余量为Fe。熔炼后浇注，得到合金铸锭。
将合金铸锭在1250℃下进行热锻加工，得到合金板材。
将合金板材送入加热炉加热并在1080℃下轧制为热轧板。
将热轧板进行多道次冷轧，控制总体下压率30%，再在1100℃下退火，得到成品含钽铁素体耐热钢冷轧板。
在1000℃动态水蒸气中对钢板表面进行氧化处理，钢材基体中的Al形成致密α-氧化铝层。
在再一个优选实施例中，该含钽铁素体耐热钢的制造过程如下：
首先，利用真空感应炉对原料进行熔炼，原料组分按重量比计包括：
20.0%Cr，3.8%Ta，6.5%Al，0.12%Y，0.05%的Ti，0.07%的C，0.004%的N，0.05%的Sn，余量为Fe。熔炼后浇注，得到合金铸锭。
将合金铸锭在1300℃下进行热锻加工，得到合金锻材。
将合金板材，送入加热炉加热并在1150℃下轧制为热轧板。
将热轧板进行多道次冷轧，控制总体下压率80%，再在1100℃下退火，得到成品含钽铁素体耐热钢板。
在1050℃动态空气中对钢板表面进行氧化处理，钢材基体中的Al形成致密α-氧化铝层。
通过上述方法所制备的含钽铁素体耐热钢，使用温度可达900℃，具有耐高温、耐腐蚀/氧化、抗中子辐照肿胀等特性，能够在表面原位生成α-氧化铝陶瓷阻氚层，可用于氘-氚核聚变反应堆包层的结构材料。
上述实施例的目的在于，结合附图对本发明作出进一步的详细说明，以便本领域技术人员能够理解本发明的技术构思。在本发明权利要求的范围内，对所涉及的成分方法或步骤进行优化或等效替换，以及在不发生结构与原理冲突的前提下对不同实施例中的实施方式进行结合，均落入本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种含钽铁素体耐热钢，其特征在于，其成分按重量比计包括：Cr：20.0%-25.0%，Ta：1.2%-3.8%，Al：2.5%-6.5%，Y：0.03%-0.15%，Ti：0.01%-0.05%，C：0.05%-0.07%，N<0.005%，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的含钽铁素体耐热钢，其特征在于，还包括Sn，按重量比计，Sn含量为0.05%-0.5%。
3.根据权利要求2所述的含钽铁素体耐热钢，其特征在于，Sn元素固溶于铁素体的基体中。
4.根据权利要求1或2所述的含钽铁素体耐热钢，其特征在于，其基体为单一的铁素体。
5.根据权利要求4所述的含钽铁素体耐热钢，其特征在于，所述基体为等轴晶组织。
6.根据权利要求1或2所述的含钽铁素体耐热钢，其特征在于，所述含钽铁素体耐热钢在900℃-1300℃的氧化性介质中，能够在表面原位生成致密的α-氧化铝陶瓷层，所述氧化性介质包括氧气、水蒸气或空气中的一种或几种的组合。
7.一种含钽铁素体耐热钢的制造方法，其特征在于，用于制造如权利要求1至6中任一所述的含钽铁素体耐热钢，该方法包括以下步骤：
按照成分配比熔炼原料，浇注得到合金铸锭；
将所述合金铸锭在1150℃-1300℃下进行热锻，得到合金锻材；
将所述合金锻材在1050℃-1150℃下进行热轧，得到热轧件；
将所述热轧件在1000℃-1100℃下进行退火。
8.根据权利要求7所述的含钽铁素体耐热钢的制造方法，其特征在于，在热轧后还包括冷轧步骤。
9.根据权利要求8所述的含钽铁素体耐热钢的制造方法，其特征在于，所述冷轧步骤中，冷轧加工的累计下压率为30%-80%。
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