RU2360992C1 - Малоактивируемая жаропрочная радиационно стойкая сталь - Google Patents
Малоактивируемая жаропрочная радиационно стойкая сталь Download PDFInfo
- Publication number
- RU2360992C1 RU2360992C1 RU2007146292/02A RU2007146292A RU2360992C1 RU 2360992 C1 RU2360992 C1 RU 2360992C1 RU 2007146292/02 A RU2007146292/02 A RU 2007146292/02A RU 2007146292 A RU2007146292 A RU 2007146292A RU 2360992 C1 RU2360992 C1 RU 2360992C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- steel
- vanadium
- tantalum
- nitrogen
- zirconium
- Prior art date
Links
Landscapes
- Powder Metallurgy (AREA)
Abstract
Изобретение относится к металлургии жаропрочных сталей, используемых в ядерной энергетике, в частности, для изготовления деталей активных зон атомных реакторов на быстрых нейтронах и оборудования термоядерных реакторов. Сталь содержит углерод, кремний, марганец, хром, вольфрам, ванадий, церий и/или иттрий, титан, бор, цирконий, тантал, азот, равномерно распределенные в зернах наноразменые частицы оксида иттрия, железо и неизбежные примеси, 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, оксид иттрия 0,05-0,3, железо и неизбежные примеси остальное. Отношение суммарного содержания ванадия, титана, циркония и тантала к суммарному содержанию углерода и азота составляет от 2 до 9. Повышаются эксплуатационные характеристики при высоких температурах и нейтронном облучении, а также обеспечивается низкий уровень наведенной радиоактивности и быстрый ее спад. 1 ил.
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 при 550°С сталь [патент ЕР 0688883], которая содержит углерод, кремний, марганец, хром, молибден, вольфрам, ванадий, ниобий, азот, а также либо титан, или цирконий, или тантал, или гафний в следующем соотношении концентрации компонентов, 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 и/или цирконий и/или тантал и/или гафний - 0,005-2,0; железо - остальное. Эта сталь отличается исключительно высоким сопротивлением ползучести при температуре 550°С и выше. Однако радиационные свойства указанной стали неизвестны, и она не может быть использована для изготовления элементов конструкции ядерного реактора на быстрых нейтронах без проведения дополнительных исследований.
Известна также малоактивируемая радиационно стойкая сталь [патент РФ №2135623, МКИ 6 С22С 38/52], 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. Суммарное содержание никеля, кобальта, молибдена, ниобия и меди в этой стали составляет не более 0,2 мас.%, а отношение (V+0,3W)/C изменяется в пределах от 3 до 6. Сталь отличается низким уровнем наведенной активности, но не является жаропрочной при температуре, превышающей 500°С [М.В.Захаров, A.M.Захаров. Жаропрочные сплавы. М., Изд-во "Металлургия". 1972 г.].
Наиболее близкой по составу легирующих элементов к предлагаемой стали является малоактивируемая жаропрочная радиационно стойкая сталь [патент РФ №2211878, МКИ 7 С22С 38/32].
Эта сталь обладает низким уровнем наведенной радиоактивности и быстрым ее спадом после нейтронной экспозиции и сохраняет высокий уровень сопротивления охрупчиванию в интервале температур 270-400°С и высокий уровень жаропрочности до 650°С в условиях нейтронного облучения. Достижение этих характеристик осуществляется 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 этом отношение суммарного содержания ванадия, титана, циркония и тантала к суммарному содержанию углерода и азота составляет от 2 до 9.
Однако жаропрочность этой стали недостаточна при температуре в активной зоне реактора 650-710°С, которая заложена для реакторов нового поколения.
Технической задачей изобретения является создание стали, обладающей высокими эксплуатационными характеристиками при высоких температурах и нейтронном облучении, а также низким уровнем наведенной радиоактивности и быстрым ее спадом.
Эта задача решается заявляемым изобретением через технический результат, который состоит в достижении высокого уровня сопротивления охрупчиванию в интервале температур 270-400°С и высокого уровня жаропрочности до температуры 710°С при сохранении низкого уровня наведенной радиоактивности и быстрого ее спада.
Этот технический результат достигается тем, что малоактивируемая жаропрочная радиационно стойкая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, вольфрам, ванадий, иттрий титан, бор, цирконий, тантал, азот и железо, а также неизбежные примеси, дополнительно содержит равномерно распределенные в зернах стали наноразменые частицы оксида иттрия 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 |
Оксид иттрия | 0,05-0,3 |
Железо | Остальное, |
при отношении суммарного содержания ванадия, титана, циркония и тантала к суммарному содержанию углерода и азота от 2 до 9.
Содержание примесей высокоактивируемых металлов - молибдена, ниобия, никеля, меди и кобальта в составе стали ограничивается значением не более 0,1 мас.%, что обеспечивает уменьшение активируемости под действием нейтронного облучения и увеличивает скорость спада наведенной активности стали.
Создание малоактивируемой, жаропрочной и радиационно стойкой стали осуществляется путем создания в структуре стали наноразмерных (размером не более нескольких десятков нанометров) частиц оксида иттрия, равномерно распределенных в объеме стали. При этом сохраняется комплексное легирование стали элементами с быстрым спадом наведенной радиационной активности и создается определенное соотношение между γ-стабилизирующими элементами (С, N, Mn, Ni) и α стабилизирующими элементами (Cr, W, V, Та, Ti, Zr, Mo, Nb и др.).
Высокий уровень жаропрочности достигается за счет создания в стали наноразмерных выделений оксида иттрия высокой объемной плотности и сохранения стабильной мартенситно-ферритной структуры с наличием упрочняющих твердый раствор элементов внедрения (С, N, В) и элементов замещения (W, V, Cr), упрочняющих карбидных (МС, M2С, М23С6 и др.), нитридных (MN, M2N) и карбонитридных (MCN) фаз, а также частиц фаз Лавеса типа Fe2 (W).
Высокое сопротивление низкотемпературному радиационному охрупчиванию (НТРО) достигается за счет ограниченного содержания в структуре стали первичного σ-феррита, предпочтительного выделения в структуре стали карбидов, нитридов и карбонитридов V, Ti, Та и Zr по сравнению с аналогичными соединениями хрома. Это 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.
Во ФГУП ВНИИНМ были изготовлены экспериментальные образцы заявляемой стали, которые получали следующим образом. Методом центробежного распыления расплава в инертной атмосфере были получены мелкодисперсные, размером 0,042-0,2 мм, порошки стали матричного состава (без оксидов иттрия). Полученный порошок смешали с порошком оксида иттрия, размер частиц которого находился в диапазоне 2-40 нм. Полученную смесь подвергли механическому легированию в атмосфере аргона в вибрационном аттриторе. Полученный механически легированный порошок засыпали в стальную капсулу, которую загерметизировали электронно-лучевой сваркой в высоком вакууме. Капсулу с порошком сбрикетировали на прессе при температуре 1100°С в компактную заготовку, которую после механической обработки выдавили методом горячей экструзии при Т=1100°С в пруток диаметром 20 мм. Пруток обточили и расточили в трубную заготовку, из которой затем изготовили оболочечные трубы и плоские образцы.
Электронно-микроскопические исследования показали, что структура стали ЭК181 ДУО состоит преимущественно из ферритных зерен и небольшого количества мартенситных зерен, несмотря на то, что матричная сталь ЭК181 принадлежит к сталям мартенситного класса. По границам и в теле зерен присутствуют частицы оксидов размером от 5 до 50 нм. Кроме того, после термической обработки по границам зерен наблюдаются частицы, по своей морфологии напоминающие карбиды МС и М23С6.
На чертеже показаны значения твердости исходной заготовки из стали ЭК181, прутка и горячекатаной пластины из стали ЭК181 ДУО.
Видно, что значение твердости прутка из стали ЭК181 ДУО превышает значение твердости исходной заготовки из стали ЭК181 в 2 раза, что свидетельствует о существенном упрочнении стали ЭК181 присутствующими в структуре оксидными частицами.
Горячая прокатка приводит к некоторому снижению уровня твердости за счет прохождения процессов возврата при промежуточных и конечной термических обработках.
Испытания на длительную прочность образцов из заявляемой стали в сравнении со сталью-прототипом при температурах 650°С, нагрузка 140 МПа и 700°С, нагрузка 120 МПа показали существенное преимущество заявляемой стали перед известной, а именно, скорость ползучести заявляемой стали на два порядка ниже, чем для стали-прототипа. Скорость ползучести заявляемой стали составляет (4,48-6,08)·10-4 %/час, а скорость до разрушения стали-прототипа (2-6)·10-2 %/час.
Так как основы заявляемой стали и стали - прототипа близки, то полученные ранее данные расчета кинетики спада наведенной активности (мощности дозы - излучения) в сталях после предполагаемого облучения в термоядерном реакторе ДЕМО в течение 10 лет и последующей выдержки до 500 лет свидетельствуют о сохранении заявляемой сталью низкой наведенной активности стали-прототипа, особенно заметной после выдержки свыше 10 лет. 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.
Таким образом, заявляемая сталь может быть использована в ядерной энергетике для изготовления элементов активных зон атомных реакторов. Использование стали позволит: а) снизить загрязнение окружающей среды в период эксплуатации атомных энергетических установок нового поколения и после ее завершения, б) повторно использовать конструкционные материалы в народном хозяйстве. Этот эффект достигается более быстрым спадом наведенной активности стали при высоких свойствах ее жаропрочности и сопротивлению низкотемпературному радиационному охрупчиванию.
Claims (1)
- Малоактивируемая жаропрочная радиационно стойкая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, вольфрам, ванадий, церий и/или иттрий, титан, бор, цирконий, тантал, азот, железо и неизбежные примеси, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит равномерно распределенные в зернах наноразмерные частицы оксида иттрия 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 оксид иттрия 0,05-0,3 железо и неизбежные примеси остальное,
при отношении суммарного содержания ванадия, титана, циркония и тантала к суммарному содержанию углерода и азота от 2 до 9.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007146292/02A RU2360992C1 (ru) | 2007-12-17 | 2007-12-17 | Малоактивируемая жаропрочная радиационно стойкая сталь |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007146292/02A RU2360992C1 (ru) | 2007-12-17 | 2007-12-17 | Малоактивируемая жаропрочная радиационно стойкая сталь |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2360992C1 true RU2360992C1 (ru) | 2009-07-10 |
Family
ID=41045753
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2007146292/02A RU2360992C1 (ru) | 2007-12-17 | 2007-12-17 | Малоактивируемая жаропрочная радиационно стойкая сталь |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2360992C1 (ru) |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2448196C2 (ru) * | 2010-04-12 | 2012-04-20 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Центральный Научно-Исследовательский Институт Конструкционных Материалов "Прометей" (Фгуп "Цнии Км "Прометей") | Сталь для корпусных конструкций атомных энергоустановок |
GB2490754A (en) * | 2010-10-29 | 2012-11-14 | Gen Electric | Article formed using a nanostructured ferritic alloy |
RU2515716C1 (ru) * | 2013-04-26 | 2014-05-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Малоактивируемая жаропрочная радиационностойкая сталь |
RU2551328C1 (ru) * | 2014-03-12 | 2015-05-20 | Павел Сергеевич Кучин | Литейный сплав на основе железа |
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 |
RU2702517C2 (ru) * | 2014-12-17 | 2019-10-08 | Уддехольмс АБ | Износостойкий сплав |
-
2007
- 2007-12-17 RU RU2007146292/02A patent/RU2360992C1/ru active
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2448196C2 (ru) * | 2010-04-12 | 2012-04-20 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Центральный Научно-Исследовательский Институт Конструкционных Материалов "Прометей" (Фгуп "Цнии Км "Прометей") | Сталь для корпусных конструкций атомных энергоустановок |
GB2490754A (en) * | 2010-10-29 | 2012-11-14 | Gen Electric | Article formed using a nanostructured ferritic alloy |
GB2490754B (en) * | 2010-10-29 | 2015-07-15 | Gen Electric | Rotors and armatures formed using nanostructured ferritic alloy |
RU2515716C1 (ru) * | 2013-04-26 | 2014-05-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Малоактивируемая жаропрочная радиационностойкая сталь |
RU2551328C1 (ru) * | 2014-03-12 | 2015-05-20 | Павел Сергеевич Кучин | Литейный сплав на основе железа |
RU2702517C2 (ru) * | 2014-12-17 | 2019-10-08 | Уддехольмс АБ | Износостойкий сплав |
US11242581B2 (en) | 2014-12-17 | 2022-02-08 | Uddeholms Ab | Wear resistant alloy |
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 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2360992C1 (ru) | Малоактивируемая жаропрочная радиационно стойкая сталь | |
EP1528113B1 (en) | Method for producing dispersed oxide reinforced ferritic steel having coarse grain structure and being excellent in high temperature creep strength | |
KR102061839B1 (ko) | 중성자 흡수소재 및 그의 제조방법 | |
BR112016007332B1 (pt) | Aço fabricado por metalurgia do pó e método para fabricar o mesmo | |
US4049431A (en) | High strength ferritic alloy | |
WO2016006280A1 (ja) | オーステナイト系ステンレス鋼とその製造方法 | |
EP1693855B1 (en) | Fuel element for a fast neutron reactor (variants) and a cladding for the production thereof | |
KR0147082B1 (ko) | 중성자조사에 대한 내취성이 우수한 오스테나이트강 및 이 강으로 구성된 부재 | |
US4818485A (en) | Radiation resistant austenitic stainless steel alloys | |
EP2608911B1 (en) | Processable high thermal neutron absorbing fe-base alloys | |
JPH01275740A (ja) | オーステナイト系ステンレス鋼合金 | |
EP3369833B1 (en) | Dispersion strengthened austenitic stainless steel, method for manufacturing stainless steel and product made from stainless steel | |
Tsay et al. | A new austenitic FeMnAlCrC alloy with high-strength, high-ductility, and moderate corrosion resistance | |
JPH0652307B2 (ja) | 原子炉用分散強化型フェライト鋼被覆管及びその製造方法 | |
KR101516718B1 (ko) | 크립 저항성이 우수한 페라이트-마르텐사이트 강 및 그 제조방법 | |
US7037464B2 (en) | Dispersed oxide reinforced martensitic steel excellent in high temperature strength and method for production thereof | |
US9267192B2 (en) | Processable high thermal neutron absorbing Fe-base alloy powder | |
KR20150100204A (ko) | 인장 및 크리프 강도가 우수한 저방사화 산화물분산강화 강 및 그 제조방법 | |
Votinov et al. | Prospects and problems using vanadium alloys as a structural material of the first wall and blanket of fusion reactors | |
RU2211878C2 (ru) | Малоактивируемая жаропрочная радиационностойкая сталь | |
KR20140130590A (ko) | 충격 특성이 우수한 페라이트-마르텐사이트 강 및 그 제조방법 | |
CN105239010B (zh) | 一种Cr‑Y‑O纳米团簇氧化物弥散强化低活化钢 | |
CN115418530A (zh) | 一种核屏蔽用富镝镍钨合金材料及其制备方法 | |
JPH02225648A (ja) | 高強度酸化物分散強化型フェライト鋼 | |
RU2515716C1 (ru) | Малоактивируемая жаропрочная радиационностойкая сталь |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
TK4A | Correction to the publication in the bulletin (patent) |
Free format text: AMENDMENT TO CHAPTER -FG4A- IN JOURNAL: 19-2009 FOR TAG: (72) |