CN118086798A - Afa合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请的实施例涉及铁基合金领域，具体涉及一种AFA合金及其制备方法。该合金按质量百分比计，包含12％～20％的Ni、12％～16％的Cr、2％～6％的Al、0％～0.1％的Y、1％～5％的Mo、0％～2％的Nb、0.01％～0.5％的C和1％～15％的Mn，余量为Fe。该合金的制备方法包括：S1、按质量百分比计，将12％～20％的Ni、12％～16％的Cr、2％～6％的Al、0％～0.1％的Y、1％～5％的Mo、0％～2％的Nb、0.01％～0.5％的C、1％～15％的Mn和余量的Fe混合后进行熔炼，得到合金坯料；S2、将S1得到的合金坯料进行锻造处理；S3、将S2处理后的合金坯料进行固溶热处理，得到AFA合金。本申请的实施例提供的AFA合金具有良好的耐铅铋腐蚀的性能。
Description
技术领域
本申请的实施例涉及铁基合金领域，具体涉及一种AFA合金及其制备方法。
背景技术
这里的陈述仅仅提供与本申请有关的背景信息，而不必然地构成现有技术。
铅基堆中液态金属冷却剂(铅及其合金)对结构材料的腐蚀非常严重，因此，铅基堆的结构材料需要具有良好的耐腐蚀性能。
发明内容
在下文中给出了关于本申请的简要概述，以便提供关于本申请的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本申请的穷举性概述。它并不是意图确定本申请的关键或重要部分，也不是意图限定本申请的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
本申请的实施例提供一种AFA合金及其制备方法。
一方面，本申请的实施例提供一种AFA合金，该合金按质量百分比计，包含12％～20％的Ni、12％～16％的Cr、2％～6％的Al、0％～0.1％的Y、1％～5％的Mo、0％～2％的Nb、0.01％～0.5％的C以及1％～15％的Mn，余量为Fe。
本申请的实施例提供的AFA合金中含有Mn，Mn的加入可以降低AFA合金整体在铅基中的溶解度，有利于提高AFA合金的耐铅铋腐蚀的性能；并且Mn具有良好的亲氧性，可以促进Al2O3氧化膜的形成，有利于进一步提高AFA合金的耐铅铋腐蚀的性能。
另一方面，本申请的实施例提供一种AFA合金制备方法，该方法包括以下步骤：S1、按质量百分比计，将12％～20％的Ni、12％～16％的Cr、2％～6％的Al、0％～0.1％的Y、1％～5％的Mo、0％～2％的Nb、0.01％～0.5％的C以及1％～15％的Mn，以及余量的Fe混合后进行熔炼，得到合金坯料；S2、将S1步骤得到的合金坯料进行锻造处理；S3、将S2步骤处理后的合金坯料进行固溶热处理，得到AFA合金。
附图说明
通过下文中参照附图对本申请的实施例所作的描述，本申请的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本申请有全面的理解。
图1是本申请的实施例提供的AFA合金制备方法的流程示意图。
图2是本申请的实施例提供的AFA合金的金相组织图。
图3是本申请的实施例提供的AFA合金在饱和氧浓度下腐蚀后的扫描电镜截面图。
图4是本申请的实施例提供的AFA合金在控氧浓度下腐蚀后的扫描电镜截面图。
附图标记说明：
10、氧化膜；20、AFA合金。
需要说明的是，附图并不一定按比例来绘制，而是仅以不影响读者理解的示意性方式示出。
具体实施方式
在下文中将结合附图对本申请的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本申请内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。
在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本申请，在附图中仅仅示出了与根据本申请的方案密切相关的设备结构和/或处理步骤，而省略了与本申请关系不大的其他细节。
含Al的奥氏体钢(Alumina Forming Austenitic Steel)，简称为AFA合金，是在传统的奥氏体钢的基础上发展而来的一类新型合金。AFA合金具有良好的抗腐蚀性能，并且Al具有中子吸收截面低的特点，利用AFA合金作为核反应堆的结构材料具有广阔的发展前景。
在采用相关技术中的AFA合金作为铅铋反应堆的结构材料时，本申请的发明人发现，相关技术中的AFA合金中的元素在铅基中的溶解度高，铅铋反应堆中作为冷却剂的液态铅及铅铋合金会腐蚀AFA合金，在高温条件下，对结构材料的腐蚀会更为严重。
针对相关技术中的AFA合金在液态铅及铅铋合金中溶解度高、腐蚀严重的问题，本申请的实施例提供一种AFA合金及其制备方法。
本申请的实施例提供一种AFA合金，该合金按质量百分比计，包含12％～20％的Ni、12％～16％的Cr、2％～6％的Al、0％～0.1％的Y、1％～5％的Mo、0％～2％的Nb、0.01％～0.5％的C以及1％～15％的Mn，余量为Fe。
本申请的实施例提供的AFA合金中含有Mn，Mn的加入可以降低AFA合金整体在铅基中的溶解度，有利于提高AFA合金的耐铅铋腐蚀的性能；并且Mn具有良好的亲氧性，可以促进Al2O3氧化膜的形成，有利于进一步提高AFA合金的耐铅铋腐蚀的性能。
由于Mn的亲氧性强，使得Al氧化形成Al2O3时需要的氧含量更低，从而更易于形成Al2O3。
相关技术的AFA合金中，会加入少量的Si以稳定铁基含铝合金的奥氏体结构。由于Si加入的同时会引起材料的脆化，相关技术中的AFA合金中的Si的加入量通常很少，例如加入的Si的质量百分比含量通常为1.6％以下。
本申请的发明人发现，Mn也可以稳定铁基含铝合金的奥氏体结构，当Mn的质量百分比含量为1％以上时，铁基含铝合金的奥氏体结构可以仅由Mn维持稳定而无需加入Si来维持稳定。由于本申请的实施例的AFA合金中未添加Si，从而避免引起材料的脆化。
Ni、Cr及Fe是奥氏体铁基合金的主要元素，对合金的性能和有较大的影响，本申请的实施例提供的AFA合金中加入Mn，利用部分Mn来代替Ni和Cr，有利于降低成本；同时，由于Mn在铅基中的溶解度较Ni低一个数量级，从而有利于降低AFA合金整体在铅基中的溶解度。
在一些实施例中，可以利用热力学计算软件通过计算确定被Mn代替后的Ni以及Cr的含量，其中，计算软件可以为Jmatpro，计算原则为确保奥氏体单一结构。通过计算能够确定Mn代替Ni以及Cr的比例，通过比例可以计算得出被Mn代替后的Ni以及Cr的含量。示例性地，Mn代替Ni的比例可以为2：1，即质量百分比为2％的Mn代替质量百分比为1％的Ni，根据Mn代替Ni的比例以及加入的Mn的量，确定加入Mn后的Ni的量。
在一些实施例中，Mn和Ni在铅基中的溶解度可以根据二者在铅基中的溶解度计算公式确定。
Y、Mo、Nb以及C可以提高AFA合金的高温力学性能，同时也有利于提高抗腐蚀的能力。但Y、Mo、Nb以及C的含量不能太多，太多的Y、Mo、Nb以及C会降低AFA合金的轻度，在腐蚀性较强的环境中还容易造成腐蚀缺陷。因此，AFA合金中的Y、Mo、Nb以及C都控制在较低的质量百分比范围内。
更具体地，在一些实施例中，AFA合金按质量百分比计可以包含：14％～20％的Ni、12％～16％的Cr、2.5％～4％的Al、0％～0.1％的Y、1.5％～3％的Mo、0.2％～1.5％的Nb、0.01％～0.5％的C以及3％～7％的Mn，余量为Fe。在这样的实施例中，有利于提高AFA合金的耐铅铋腐蚀的性能。
更具体地，在一些实施例中，AFA合金按质量百分比计可以包含：14％～20％的Ni、12％～16％的Cr、2.5％～4％的Al、0％～0.1％的Y、1.5％～3％的Mo、0.2％～1％的Nb、0.01％～0.5％的C以及4％～5％的Mn，余量为Fe。在这样的实施例中，有利于进一步提高AFA合金的耐铅铋腐蚀的性能。
另一方面，本申请的实施例提供一种AFA合金制备方法，如图1所示，其示出本申请的实施例提供的AFA合金制备方法的流程示意图，该方法包括以下步骤：S1、按质量百分比计，将12％～20％的Ni、12％～16％的Cr、2％～6％的Al、0％～0.1％的Y、1％～5％的Mo、0％～2％的Nb、0.01％～0.5％的C以及1％～15％的Mn，以及余量的Fe混合后进行熔炼，得到合金坯料；S2、将S1步骤得到的合金坯料进行锻造处理；S3、将S2步骤处理后的合金坯料进行固溶热处理，得到AFA合金。
在一些实施例中，在S1步骤中，还可以按质量百分比计，将14％～20％的Ni、12％～16％的Cr、2.5％～4％的Al、0％～0.1％的Y、1.5％～3％的Mo、0.2％～1.5％的Nb、0.01％～0.5％的C以及3％～7％的Mn，以及余量的Fe混合后进行熔炼，得到合金坯料。
在一些实施例中，在S1步骤中，还可以按质量百分比计，将14％～20％的Ni、12％～16％的Cr、2.5％～4％的Al、0％～0.1％的Y、1.5％～3％的Mo、0.2％～1％的Nb、0.01％～0.5％的C以及4％～5％的Mn，以及余量的Fe混合后进行熔炼，得到合金坯料。
在一些实施例中，S1步骤还可以包括：确定Al的烧损比例和Mn的烧损比例，在保持其他原料的质量百分比不变的基础上，根据Al的烧损比例和Mn的烧损比例，相应提高原料中Al和Mn的质量百分比。通过考虑Al的烧损比例和Mn的烧损比例，能够保证制备的AFA合金的组分。
烧损比例可以由原料熔炼选用的熔炼炉尺寸、熔炼参数来确定。在本申请实施例中，Ni、Cr、Mo等元素无需考虑烧损，仅考虑Al和Mn的烧损比例即可。示例性地，Al的烧损比例可以为30％，Mn的烧损比例可以为5％。
在一些实施例中，S1步骤可以包括：根据Al和Mn的烧损比例，确定Al和Mn的质量百分比；将确定质量百分比后的各原料按质量百分比混合后放入真空感应熔炼炉中，对炉内抽真空，之后向炉内充氩气至0.05～1MPa，送电进行熔炼，之后依次进行熔清和精炼，之后在氩气保护下浇铸形成钢锭，将钢锭出钢脱模，冷却后得到合金坯料。
在一些实施例中，S1步骤中向真空感应熔炼炉内充氩气后的气压可以为0.08MPa。
在一些实施例中，在S2步骤中的锻造处理可以包括将S1步骤得到的合金坯料随炉升温至1150℃以上进行锻造，终锻温度不低于1100℃，锻造比不低于3：1。示例性地，可以将S1步骤得到的合金坯料随炉升温至1200℃进行锻造，终锻温度可以为1100℃，锻造比可以为3：1。
在一些实施例中，S2步骤还可以包括将锻造处理后的合金坯料进行轧制处理。在一些实施中，在完成锻造处理后，可以先将锻造后的材料在1150℃下保温2h后，再进行轧制处理，轧制处理可以在热轧机进行。
在一些实施例中，在S2步骤中的轧制处理可以包括以1050-1150℃为起始温度分多道次轧制，其中，后一道次轧制温度比前一道次轧制温度低，且后一道次轧制的压下量比前一道次轧制的压下量低。这样的轧制处理有利于提高最终制备的AFA合金的耐铅铋腐蚀的性能。
示例性地，第一道次轧制温度可以为1150℃，压下量可以为30％；第二道次轧制温度可以为1100℃，压下量可以为20％；第三道次轧制温度可以为1050℃，压下量可以为10％，三次轧制的压下量相加得到的总压下量约为60％。
在一些实施例中，可以将轧制处理后的合金坯料冷却至室温后，再进行固溶热处理。
在一些实施例中，在S3步骤中对S2步骤得到的合金坯料进行固溶热处理的过程可以包括：将S2步骤得到的合金坯料在1200℃固溶热处理30～60min并水冷至室温，在不小于900℃的高温下进行时效热处理，得到AFA合金。其中，时效热处理的预定时间不超过2h，例如可以为1h。
在一些实施例中，可以对S3步骤得到的AFA合金进行腐蚀试验，以验证得到的AFA合金是否具有良好的耐铅铋腐蚀的性能。
在一些实施例中，对S3步骤得到的AFA合金进行腐蚀试验的过程可以包括以下内容：将S3步骤得到的AFA合金置于不同预设氧浓度以及不同温度的液态铅及铅铋合金中，进行不同时长的腐蚀试验，以验证其耐铅铋腐蚀的性能。
在一些实施例中，对S3步骤得到的AFA合金进行腐蚀试验时，液态铅及铅铋合金中的预设氧浓度可以为饱和氧浓度10-3wt％、控氧浓度1.0×10-6～1.0×10-7wt％及低氧浓度(≤1.0×10-8wt％)。
随着温度的升高，液态铅及铅铋合金中的氧的渗透能力增强，AFA合金中Al可能会发生内氧化而阻碍AFA合金表面的Al2O3氧化膜的形成，因此有必要在控氧浓度下进行AFA合金的腐蚀试验。
在一些实施例中，AFA合金在低氧浓度的液态铅及铅铋合金中的抗腐蚀性能强于高氧浓度的液态铅及铅铋合金。液态铅及铅铋合金中的氧浓度降低，在Al2O3氧化膜/AFA合金界面处向内扩散的氧的量降低，从而使得AFA合金在低氧浓度的液态铅及铅铋合金中的抗腐蚀性能强于高氧浓度的液态铅及铅铋合金。
在一些实施例中，预设氧浓度、试验时长以及液态铅及铅铋合金的温度与AFA合金中Mn的含量相关，AFA合金中的Mn含量越高，相应地，腐蚀试验中的液态铅及铅铋合金的温度越高，氧浓度越低，试验时间越长。
在一些实施例中，可以根据实际使用需要，利用本申请的实施例提供的AFA合金制备方法制备不同形状规格的AFA合金。示例性地，可以根据实际的腐蚀条件，调整AFA合金中各组分的含量，以得到适合实际腐蚀条件的AFA合金。
下面结合具体实施例说明本申请的实施例提供的AFA合金的耐铅基液态金属腐蚀能力。
在实施例1中，AFA合金按质量百分比计，包含18％的Ni、14％的Cr、4％的Al、0.01％的Y、2.5％的Mo、0.5％的Nb、0.08％的C，2％的Mn，余量为Fe。将该AFA合金置于饱和氧浓度10-3wt％的550℃的液态铅铋合金中，进行500h的腐蚀试验，试验完成后通过扫描电镜对腐蚀后的AFA合金的截面进行观察。其中，图2示出了该实施例提供的AFA合金的金相组织图。从图2可以看出合金的晶粒尺寸为微米级别，大小晶粒较为均匀的相间分布，其形貌为奥氏体结构等轴晶。图3示出该实施例提供的AFA合金在饱和氧浓度下腐蚀后的扫描电镜截面图，由图3可以看出，腐蚀后的AFA合金表面的部分区域受到轻微腐蚀，其中最为明显处合金20表面的氧化膜10厚度约为4μm，说明液态铅铋合金对AFA合金的腐蚀损伤很轻，AFA合金耐铅铋合金腐蚀的能力较强，合金表面形成了致密的保护性氧化膜。
在实施例2中，AFA合金按质量百分比计，包含16％的Ni、12％的Cr、3％的Al、0.02％的Y、3％的Mo、0.5％的Nb、0.06％的C和4％的Mn，余量为Fe。将AFA合金置于控氧浓度10-6～10-7wt％的600℃的液态铅铋合金中，进行3000h的腐蚀试验，试验完成后通过扫描电镜对腐蚀后的AFA合金的截面进行观察。图4示出该实施例提供的AFA合金在饱和氧浓度下腐蚀后的扫描电镜截面图，由图4可以看出，腐蚀后的AFA合金20表面的氧化膜10厚度约为2μm，说明液态铅铋合金对AFA合金的腐蚀损伤很轻，AFA合金耐铅铋合金腐蚀的能力较强，合金表面形成了致密的保护性氧化膜。
通过对比上述不同组分AFA合金的腐蚀结果可知，本申请实施例通过将Mn的含量从2％提升至4％，能够提高合金的AFA合金耐铅铋合金腐蚀的能力。Mn在稳定奥氏体结构的基础上，可以起到一定的“第三元素作用”，降低形成致密氧化膜所需要的Cr及Al含量。
对于本申请的实施例，还需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。
以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种AFA合金，其特征在于，按质量百分比计，包含：
12％～20％的Ni、12％～16％的Cr、2％～6％的Al、0％～0.1％的Y、1％～5％的Mo、0％～2％的Nb、0.01％～0.5％的C以及1％～15％的Mn，余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的AFA合金，其特征在于，按质量百分比计，包含：
14％～20％的Ni、12％～16％的Cr、2.5％～4％的Al、0％～0.1％的Y、1.5％～3％的Mo、0.2％～1.5％的Nb、0.01％～0.5％的C以及3％～7％的Mn，余量为Fe。
3.根据权利要求1或2所述的AFA合金，其特征在于，按质量百分比计，包含：
14％～20％的Ni、12％～16％的Cr、2.5％～4％的Al、0％～0.1％的Y、1.5％～3％的Mo、0.2％～1％的Nb、0.01％～0.5％的C以及4％～5％的Mn，余量为Fe。
4.一种AFA合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、按质量百分比计，将12％～20％的Ni、12％～16％的Cr、2％～6％的Al、0％～0.1％的Y、1％～5％的Mo、0％～2％的Nb、0.01％～0.5％的C以及1％～15％的Mn，以及余量的Fe混合后进行熔炼，得到合金坯料；
S2、将S1步骤得到的所述合金坯料进行锻造处理；
S3、将S2步骤处理后的合金坯料进行固溶热处理，得到所述AFA合金。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在S1步骤中，按质量百分比计，将14％～20％的Ni、12％～16％的Cr、2.5％～4％的Al、0％～0.1％的Y、1.5％～3％的Mo、0.2％～1.5％的Nb、0.01％～0.5％的C以及3％～7％的Mn，以及余量的Fe混合后进行熔炼，得到合金坯料。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在S1步骤中，按质量百分比计，将14％～20％的Ni、12％～16％的Cr、2.5％～4％的Al、0％～0.1％的Y、1.5％～3％的Mo、0.2％～1％的Nb、0.01％～0.5％的C以及4％～5％的Mn，以及余量的Fe混合后进行熔炼，得到合金坯料。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，S2步骤还包括：将锻造处理后的合金坯料进行轧制处理。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述轧制处理包括：以1050-1150℃为起始温度分多道次轧制，其中，后一道次轧制温度比前一道次轧制温度低，且后一道次轧制的压下量比前一道次轧制的压下量低。
9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述锻造处理包括：将S1步骤得到的所述合金坯料随炉升温至1150℃以上进行锻造，终锻温度不低于1100℃，锻造比不低于3：1。
10.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，S1步骤还包括：
确定Al的烧损比例和Mn的烧损比例，在保持其他原料的质量百分比不变的基础上，根据Al的烧损比例和Mn的烧损比例，相应提高原料中Al和Mn的质量百分比。
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