RU2211878C2 - Малоактивируемая жаропрочная радиационностойкая сталь - Google Patents

Малоактивируемая жаропрочная радиационностойкая сталь Download PDF

Info

Publication number
RU2211878C2
RU2211878C2 RU2001118904A RU2001118904A RU2211878C2 RU 2211878 C2 RU2211878 C2 RU 2211878C2 RU 2001118904 A RU2001118904 A RU 2001118904A RU 2001118904 A RU2001118904 A RU 2001118904A RU 2211878 C2 RU2211878 C2 RU 2211878C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
steel
zirconium
nitrogen
tantalum
titanium
Prior art date
Application number
RU2001118904A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2001118904A (ru
Inventor
М.И. Солонин
А.Г. Иолтуховский
М.В. Леонтьева-Смирнова
Ю.К. Бибилашвили
В.Н. Голованов
В.П. Кондратьев
В.М. Чернов
В.К. Шамардин
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт неорганических материалов им. акад. А.А.Бочвара"
Министерство Российской Федерации по атомной энергии
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт неорганических материалов им. акад. А.А.Бочвара", Министерство Российской Федерации по атомной энергии filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт неорганических материалов им. акад. А.А.Бочвара"
Priority to RU2001118904A priority Critical patent/RU2211878C2/ru
Publication of RU2001118904A publication Critical patent/RU2001118904A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2211878C2 publication Critical patent/RU2211878C2/ru

Links

Images

Abstract

Изобретение относится к металлургии сталей, используемых в ядерной энергетике, в частности, для изготовления деталей активных зон атомных реакторов на быстрых нейтронах и оборудования термоядерных реакторов. Техническим результатом изобретения является создание стали, обладающей более низким уровнем наведенной радиоактивности и более быстрым ее спадом после нейтронной экспозиции при сохранении высокого уровня сопротивления охрупчиванию в интервале температур 270 - 400oС в условиях нейтронного облучения и высокого уровня жаропрочности вплоть до 650oС. Эта задача достигается тем, что сталь содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%: углерод 0,10-0,21; кремний 0,1-0,8; марганец 0,5-2,0; хром 10,0-13,5; вольфрам 0,8-2,5; ванадий 0,05-0,4; титан 0,03-0,3; бор 0,001-0,008; церий (и/или иттрий) в сумме 0,001-0,10; цирконий 0,05-0,2; тантал 0,05-0,2; азот 0,02-0,15; железо - остальное, при отношении суммарного содержания ванадия, титана, циркония и тантала к суммарному содержанию углерода и азота от 2 до 9. 4 з.п.ф-лы, 4 табл.

Description

Изобретение относится к металлургии сталей, используемых в ядерной энергетике, в частности, для изготовления деталей активных зон атомных реакторов на быстрых нейтронах и оборудования термоядерных реакторов.
Известна жаропрочная (550oС) сталь (патент ЕР0688883), которая содержит углерод, кремний, марганец, хром, молибден, вольфрам, ванадий, ниобий, азот, а также либо титан, или цирконий, или тантал, или гафний, мас.%:
Углерод - 0,01-0,30
Марганец - 0,20-1,00
Кремний - 0,02-0,80
Хром - 5,0-18,0
Молибден - 0,005-1,0
Вольфрам - 0,20-3,50
Ванадий - 0,02-1,0
Ниобий - 0,01-0,50
Азот - 0,01-0,25
Титан/цирконий/ тантал/гафний - 0,005-2,0
Железо - Остальное
Радиационные свойства указанной стали неизвестны, но сталь отличается исключительно высоким сопротивлением ползучести при температуре 550oС и выше.
Наиболее близкой по составу легирующих элементов к предлагаемой стали является малоактивируемая радиационно стойкая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, ванадий, медь, молибден, кобальт, вольфрам, иттрий, ниобий, алюминий и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод - 0,13-0,18
Кремний - 0,20-0,35
Марганец - 0,30-0,60
Хром - 2,0-3,5
Вольфрам - 1,0-2,0
Ванадий - 0,10-0,35
Молибден - 0,01-0,05
Никель - 0,01-0,05
Кобальт - 0,01-0,05
Медь - 0,01-0,10
Алюминий - 0,01-0,10
Ниобий - 0,01-0,05
Иттрий - 0,05-0,15
Железо - Остальное
При этом суммарное содержание никеля, кобальта, молибдена, ниобия и меди составляет не более 0,2 мас.%, а отношение (V+0,3W)/C изменяется в пределах от 3 до 6 (см. патент RU 21355623). Эта сталь отличается низким уровнем наведенной активности, но не является жаропрочной при температуре, превышающей 500oС (М. В. Захаров, А.М. Захаров. Жаропрочные сплавы. М., Изд-во "Металлургия". 1972 г.).
Технической задачей изобретения является создание стали, обладающей более низким уровнем наведенной радиоактивности и более быстрым ее спадом после нейтронной экспозиции при сохранении высокого уровня сопротивления охрупчиванию в интервале температур 270-400oС в условиях нейтронного облучения и высокого уровня жаропрочности вплоть до температуры 650oС.
Эта задача достигается тем, что в сталь, содержащую углерод, кремний, марганец, хром, ванадий, вольфрам, бор, церий (и/или иттрий) и железо при ограничении содержания неизбежных примесей, дополнительно вводится титан, тантал, цирконий и азот при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод - 0,10-0,21
Кремний - 0,1-0,8
Марганец - 0,5-2,0
Хром - 10,0-13,5
Вольфрам - 0,8-2,5
Ванадий - 0,05-0,4
Титан - 0,03-0,3
Бор - 0,001-0,008
Церий(и/или иттрий) в сумме - 0,001-0,10
Цирконий - 0,05-0,2
Тантал - 0,05-0,2
Азот - 0,02-0,15
Никель - <0,1
Ниобий - <0,01
Молибден - <0,01
Медь - <0,1
Кобальт - <0,01
Сера - <0,008
Фосфор - <0,008
Кислород - <0,005
Железо - Остальное
При отношении суммарного содержания ванадия, титана, циркония и тантала к суммарному содержанию углерода и азота от 2 до 9.
По частному варианту реализации изобретения суммарное содержание примесей высокоактивируемых металлов - молибдена, ниобия, никеля, меди и кобальта не превышает 0,1 мас.%. Этим достигается уменьшение активируемости под действием нейтронного облучения и увеличивается скорость спада наведенной активности стали.
По другому частному варианту реализации изобретения суммарное содержание примесей легкоплавких металлов - свинца, висмута, олова, сурьмы и мышьяка не превышает 0,05 мас.%. Этим достигается увеличение сопротивления стали низкотемпературному радиационному охрупчиванию в условиях нейтронного облучения.
Основной концепцией изобретения (создания малоактивируемой жаропрочной и радиационно-стойкой стали) является комплексное легирование стали элементами с быстрым спадом наведенной радиационной активности с созданием определенного соотношения между γ-стабилизирующими элементами (С, N, Mn, Ni) и α-стабилизирующими элементами (Cr, W, V, Та, Ti, Zr, Mo, Nb и др.) для обеспечения:
1. Высокого уровня жаропрочности за счет образования стабильной мартенситно-ферритной структуры с наличием упрочняющих твердый раствор элементов внедрения (С, N, В) и элементов замещения (W, V, Cr), упрочняющих карбидных (МС, M2C, М23С6 и др.), нитридных (MN, М2N) и карбонитридных (MCN) фаз, а также частиц фаз Лавеса типа Fe2 (W).
2. Высокого сопротивления низкотемпературному радиационному охрупчиванию (НТРО) за счет ограниченного содержания в структуре стали первичного δ-феррита, предпочтительного выделения в структуре стали карбидов, нитридов и карбонитридов V, Ti, Та и Zr по сравнению с аналогичными соединениями хрома, что обеспечивается регламентацией отношения суммы термодинамически активных элементов (V, Ti, Та и Zr) к сумме углерода и азота; дополнительное ограничение содержания в стали легкоплавких элементов (свинца, висмута, олова, сурьмы и мышьяка), а также серы, фосфора и кислорода в еще большей степени способствует увеличению сопротивления стали НТРО.
Увеличение содержания вольфрама, который вводится примерно в эквивалентном соотношении взамен молибдена, обеспечивает заявляемой стали меньшую активируемость под действием нейтронного облучения и быстрый ее спад во времени после окончания нейтронной экспозиции благодаря меньшему сечению взаимодействия нейтронов с ядрами вольфрама и меньшему периоду полураспада образовавшихся под облучением изотопов вольфрама соответственно. Увеличение содержания вольфрама способствует также сохранению высокого уровня длительной и кратковременной прочности стали.
За счет введения циркония, тантала, титана и азота кратковременная и длительная прочность стали остаются на достаточно высоком уровне.
За счет введения азота и введения ограничения отношения суммарного содержания титана, тантала, циркония и ванадия к суммарному содержанию углерода и азота в пределах от 2 до 9 возрастает сопротивление стали низкотемпературному радиационному охрупчиванию в условиях нейтронного облучения.
Введение церия (и/или иттрия) в количестве 0,001-0,10 способствует рафинированию и измельчению зерна стали. При этом церий и иттрий, являясь малоактивируемыми элементами, не увеличивают наведенную активность в заявленной стали.
Нижний предел содержания церия (и/или иттрия) соответствует минимальной концентрации, при которой отмечается его положительное влияние на рафинирование стали. Значение верхнего предела содержания церия (и/или иттрия) обеспечивает сохранение сталью достаточной технологичности при горячем переделе.
Нижний предел содержания циркония определяется необходимостью связывания части азота в мелкодисперсные термодинамически стойкие частицы нитрида циркония.
Верхний предел содержания циркония определяется возможностью образования легкоплавкой эвтектики цирконий-железо, что может снизить технологичность стали.
Нижний предел содержания титана определяется необходимостью связывания части углерода в термодинамически стойкие карбиды титана мелкодисперсной формы.
Верхний предел содержания титана определяется возможностью перераспределения азота между цирконием и титаном, что нежелательно из-за возможного снижения длительной прочности стали.
Нижний предел содержания тантала определяется необходимостью связывания части углерода в термодинамически стойкие карбиды тантала и обеспечения его содержания в твердом растворе на уровне предельной растворимости.
Верхний предел содержания тантала определяется возможностью образования глобулярных карбидных включений, снижающих технологичность стали.
Нижний предел содержания азота определяется необходимостью связывания циркония в мелкодисперсные частицы нитрида циркония. Ограничение азота по верхнему пределу необходимо для обеспечения технологичности стали при сварке.
Цирконий, тантал и титан, являясь малоактивируемыми элементами, не увеличивают наведенную активность заявляемой стали.
Азот в виде изотопа 14N (99% содержания) активируется под действием нейтронного облучения с образованием долгоживущего изотопа 14С, который при распаде (период полураспада 5,7•103 лет) дает α-частицу (стабильный изотоп 6Hе) без выделения γ-излучения.
Содержание кремния находится в пределах 0,1-0,8 мас.% для обеспечения раскисления стали.
Для обеспечения технологических свойств стали и снижения количества δ-феррита содержание марганца в стали находится на уровне 0,5-2,0 мас.%.
Для обеспечения жаропрочности и радиационной стойкости содержание хрома в заявляемой стали находится на уровне 10-13,5 мас.%.
Содержание углерода в заявляемой стали находится в пределах 0,1000,21 мас. % для обеспечения высокого уровня структурной стабильности и жаропрочности за счет протекания процесса мартенситного превращения.
В ГНЦ ВНИИНМ произведена выплавка в воздушной индукционной печи двух 25-килограммовых слитков заявляемой стали, а в ОАО "Электросталь" - двух 500-килограммовых слитков заявляемой стали. 25-килограммовые слитки проковывались на заготовки ⌀35 мм, которые затем проковывались на пластины толщиной 10 мм и на пруток диаметром 12 мм. 500-килограммовые слитки проковывались на заготовки ⌀90 мм, которые затем прокатывались на лист толщиной 6 мм и на пруток диаметром 12 мм. Пруток, лист и пластины термообрабатывались по стандартному режиму: нормализация плюс отпуск. Из термообработанного металла изготавливались цилиндрические образцы с размером рабочей части ⌀5•25 мм для испытания на длительную прочность и ползучесть ГОСТ 10145-81 и ГОСТ 3248-81). Механические свойства (в том числе и после облучения) определялись на стандартных образцах при испытании на растяжение по ГОСТ 10446-80.
Нейтронное облучение предлагаемой стали проводилось в активной зоне исследовательского реактора на быстрых нейтронах БОР-60 при температуре 345-365oС флюенсом (1,14÷2,0)•1022 н/см2 (Е>0,1 МэВ) при повреждающей дозе нейтронов 5,7-10 с.н.а. Испытания на растяжение проводились на дистанционной разрывной машине 1794-У5 на воздухе при скорости деформации ~1 мм/мин.
Химические составы заявляемой и известной сталей приведены в табл. 1, результаты расчета кинетики спада наведенной активности в рассматриваемых материалах - в табл. 2 и результаты испытаний механических свойств - в табл. 3 и 4.
Данные расчета кинетики спада наведенной активности (мощности дозы γ-излучения) в сталях после предполагаемого облучения в термоядерном реакторе ДЕМО в течение 10 лет и последующей выдержки до 500 лет свидетельствуют о преимуществе заявляемой стали, особенно заметной после выдержки свыше 10 лет (табл. 2). После выдержки в течение 50 лет с заявляемой сталью можно работать без специальной защиты и отправлять ее на переплав для повторного использования.
Аналогичные расчеты, проведенные для спектра нейтронов реактора БН-600, показывают, что быстрый спад наведенной активности также делает ее безопасной через 50 лет выдержки.
Результаты испытаний механических свойств (табл. 3) подтверждают, что заявляемая сталь имеет высокий запас сопротивления низкотемпературному радиационному охрупчиванию. Так, значения относительного удлинения образцов заявляемой стали после облучения в реакторе БОР-60 при температурах облучения 345-365oС, при которых проявляется НТРО, имеют достаточно высокие значения как при 20oС (3,5÷8,1%), так и при температуре облучения (6,0÷8,7%).
Результаты испытаний на длительную прочность и ползучесть, проведенные по ГОСТ 10145-81 и ГОСТ 3248-81, показали (табл. 4), что заявляемая сталь является жаропрочной при температуре 650oС даже в своих модификациях с пониженным содержанием азота. Так, например, скорость ползучести заявляемой стали при напряжении 8 кгс/мм2 составляет (0,9÷7)•10-4%/ч. Аналогичные результаты наблюдаются и при напряжениях 10 и 12 кгс/мм2.
Таким образом, заявляемая сталь может быть использована в ядерной энергетике для изготовления элементов активных зон атомных реакторов. Использование стали обеспечит высокий народно-хозяйственный эффект, обусловленный более быстрым спадом наведенной активности при высоких свойствах жаропрочности и сопротивления низкотемпературному радиационному охрупчиванию. Этот эффект выразится в снижении загрязнения окружающей среды в период эксплуатации и после ее завершения атомных энергетических установок нового поколения и в возможности повторного использования конструкционных материалов.

Claims (5)

1. Малоактивируемая, жаропрочная, радиационностойкая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, вольфрам, ванадий, иттрий и железо, а также неизбежные примеси, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит титан, бор, цирконий, тантал и азот, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Углерод - 0,10-0,21
Кремний - 0,1-0,8
Марганец - 0,5-2,0
Хром - 10,0-13,5
Вольфрам - 0,8-2,5
Ванадий - 0,05-0,4
Церий и/или иттрий в сумме - 0,001-0,10
Цирконий - 0,05-0,2
Тантал - 0,05-0,2
Титан - 0,03-0,3
Азот - 0,02-0,15
Бор - 0,001-0,008
Железо - Остальное
при отношении суммарного содержания ванадия, титана, циркония и тантала к суммарному содержанию углерода и азота от 2 до 9.
2. Сталь по п. 1, отличающаяся тем, что содержание неизбежных примесей никеля, ниобия, молибдена, меди и кобальта не превышает, мас. %: никель < 0,1; ниобий < 0,001; молибден < 0,1; медь < 0,1 и кобальт < 0,01.
3. Сталь по п. 1, отличающаяся тем, что суммарное содержание неизбежных примесей высокоактивируемых металлов молибдена, ниобия, никеля, меди и кобальта не превышает 0,1 мас. %.
4. Сталь по п. 1, или 2, или 3, отличающаяся тем, что суммарное содержание примесей легкоплавких металлов свинца, висмута, олова, сурьмы и мышьяка не превышает 0,05 мас. %.
5. Сталь по п. 1, или 2, или 3, или 4, отличающаяся тем, что содержание неизбежных примесей серы, фосфора и кислорода не превышает, мас. %: сера ≤ 0,008; фосфор ≤ 0,008 и кислород ≤ 0,005.
RU2001118904A 2001-07-06 2001-07-06 Малоактивируемая жаропрочная радиационностойкая сталь RU2211878C2 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2001118904A RU2211878C2 (ru) 2001-07-06 2001-07-06 Малоактивируемая жаропрочная радиационностойкая сталь

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2001118904A RU2211878C2 (ru) 2001-07-06 2001-07-06 Малоактивируемая жаропрочная радиационностойкая сталь

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2001118904A RU2001118904A (ru) 2003-05-27
RU2211878C2 true RU2211878C2 (ru) 2003-09-10

Family

ID=29776802

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2001118904A RU2211878C2 (ru) 2001-07-06 2001-07-06 Малоактивируемая жаропрочная радиационностойкая сталь

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2211878C2 (ru)

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005034139A3 (fr) * 2003-10-06 2005-07-28 Fed State Unitarian Entpr A A Unite de combustible pour reacteur a neutrons rapides, et gaine permettant sa preparation
WO2010134842A1 (ru) * 2009-05-22 2010-11-25 Osadchy Alexander Ivanovich Нейтронно-поглощающая сталь
RU2466001C2 (ru) * 2010-11-12 2012-11-10 Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг РФ) Сварочная проволока для сварки жаропрочных хромистых мартенситных сталей
RU2515716C1 (ru) * 2013-04-26 2014-05-20 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Малоактивируемая жаропрочная радиационностойкая сталь
RU2558738C1 (ru) * 2014-06-03 2015-08-10 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" (НИУ "БелГУ") Жаропрочная сталь мартенситного класса
RU2683168C1 (ru) * 2018-05-15 2019-03-26 Акционерное общество "Научно-производственное объединение "Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения", АО "НПО "ЦНИИТМАШ" Нейтронно-поглощающая сталь
US10636528B2 (en) 2014-07-15 2020-04-28 Tokamak Energy Ltd Shielding materials for fusion reactors
RU2773227C1 (ru) * 2021-02-19 2022-05-31 Акционерное общество "Наука и инновация" Теплостойкая и радиационностойкая сталь

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005034139A3 (fr) * 2003-10-06 2005-07-28 Fed State Unitarian Entpr A A Unite de combustible pour reacteur a neutrons rapides, et gaine permettant sa preparation
CN1890758B (zh) * 2003-10-06 2010-07-21 联邦国家统一企业A·A·博奇瓦尔全俄无机材料研究院 快速中子反应堆(变体)的燃料元件和制备所述元件的包覆层
WO2010134842A1 (ru) * 2009-05-22 2010-11-25 Osadchy Alexander Ivanovich Нейтронно-поглощающая сталь
RU2466001C2 (ru) * 2010-11-12 2012-11-10 Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг РФ) Сварочная проволока для сварки жаропрочных хромистых мартенситных сталей
RU2515716C1 (ru) * 2013-04-26 2014-05-20 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Малоактивируемая жаропрочная радиационностойкая сталь
RU2558738C1 (ru) * 2014-06-03 2015-08-10 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" (НИУ "БелГУ") Жаропрочная сталь мартенситного класса
US10636528B2 (en) 2014-07-15 2020-04-28 Tokamak Energy Ltd Shielding materials for fusion reactors
RU2683168C1 (ru) * 2018-05-15 2019-03-26 Акционерное общество "Научно-производственное объединение "Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения", АО "НПО "ЦНИИТМАШ" Нейтронно-поглощающая сталь
RU2773227C1 (ru) * 2021-02-19 2022-05-31 Акционерное общество "Наука и инновация" Теплостойкая и радиационностойкая сталь
RU2777681C1 (ru) * 2021-02-19 2022-08-09 Акционерное общество "Наука и инновация" Высокопрочная теплостойкая и радиационностойкая сталь

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2647732B1 (en) Precipitation-strengthened ni-based heat-resistant alloy and method for producing the same
RU2262753C2 (ru) Твэл реактора на быстрых нейтронах (варианты) и оболочка для его изготовления
CA1068132A (en) High strength ferritic alloy
Klueh Heat treatment behavior and tensile properties of Cr− W steels
RU2211878C2 (ru) Малоактивируемая жаропрочная радиационностойкая сталь
JPH01275740A (ja) オーステナイト系ステンレス鋼合金
US5292384A (en) Cr-W-V bainitic/ferritic steel with improved strength and toughness and method of making
RU2360992C1 (ru) Малоактивируемая жаропрочная радиационно стойкая сталь
CA1245474A (en) Mn-fe base and mn-cr-fe base austenitic alloys
US4273838A (en) Weld metal resistant to neutron-bombardment embrittlement
RU2325459C2 (ru) Малоактивируемая коррозионно-стойкая и радиационно стойкая хромистая сталь
KR20140132604A (ko) 크립 저항성이 우수한 페라이트-마르텐사이트 강 및 그 제조방법
JPH10310820A (ja) 低温靭性とクリープ強度に優れた核融合炉用鋼の製造方法
RU2515716C1 (ru) Малоактивируемая жаропрочная радиационностойкая сталь
USH326H (en) Mn-Fe base and Mn-Cr-Fe base austenitic alloys
RU2267173C1 (ru) Бридинговый элемент для термоядерного реактора синтеза
RU2218445C2 (ru) Жаропрочная радиационно-стойкая сталь
RU2303075C2 (ru) Малоактивируемая радиационно стойкая сталь для корпусов реакторов ядерных энергетических установок
JPH09111413A (ja) 靭性に優れた核融合炉用耐熱鋼及びその製造方法
Klueh et al. Thermal stability of manganese-stabilized stainless steels
RU2135623C1 (ru) Малоактивируемая радиационно стойкая сталь
RU2773227C1 (ru) Теплостойкая и радиационностойкая сталь
JPH0425342B2 (ru)
Forty Activation response of martensitic steels
RU2716922C1 (ru) Аустенитная коррозионно-стойкая сталь с азотом