專利名稱：一種復(fù)合結(jié)構(gòu)材料及采用該材料制備管道部件的工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種復(fù)合材料及基于復(fù)合材料制備管道的工藝，具體涉及一種適用于鈉冷快堆和聚變液態(tài)金屬包層的復(fù)合結(jié)構(gòu)材料及采用該材料制備管道部件的工藝。
背景技術(shù)：
根據(jù)我國核能發(fā)展戰(zhàn)略，快堆和聚變堆將成為我國今后核能系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的方向。其中鈉冷快堆是多種快堆概念中的首選概念，但其結(jié)構(gòu)材料的選擇必須考慮與液態(tài)金屬鈉的相容性。而目前中國的聚變堆設(shè)計(jì)中擬采用氦冷固態(tài)氚增殖包層或雙功能液態(tài)金屬包層來實(shí)現(xiàn)氚自持，在聚變液態(tài)金屬包層中，液態(tài)金屬鋰或鋰鉛合金將同時(shí)作為氚增殖劑和冷卻劑，其結(jié)構(gòu)材料的選擇也同樣要考慮與液態(tài)金屬的相容性。另外，鈉冷快堆和聚變堆的中子輻照損傷都很嚴(yán)重，商用快堆在100個(gè)dpa (材料輻照損傷單位，每個(gè)原子平均離位次數(shù))左右，商用聚變堆達(dá)到200個(gè)dpa，因此，抗中子輻照和耐液態(tài)金屬腐蝕是鈉冷快堆與聚變堆液態(tài)包層共同要面臨的結(jié)構(gòu)材料問題。經(jīng)過多年實(shí)驗(yàn)研究，釩合金與低活性鐵素體/馬氏體鋼都具有良好的抗強(qiáng)中子輻照特性，特別是釩合金，釩合金可以抗200個(gè)dpa的中子輻照，而且與液態(tài)堿金屬(鋰、鈉、 鉀)具有良好的相容性，并且它的中子吸收截面積小，工作窗口上限溫度高，從理論上釩合金是快堆與聚變堆液態(tài)金屬包層非常理想的結(jié)構(gòu)材料。但釩合金的應(yīng)用面臨很嚴(yán)重的工程問題，那就是它對氧過于敏感，比如在聚變液態(tài)雙冷包層中，即便采用高純氦氣做冷卻劑， 氦氣里的氧含量也必須控制在PPb (十億分之一)級(jí)，否則高純氦氣中的氧將會(huì)不斷腐蝕釩合金，影響反應(yīng)堆安全，無法滿足商用反應(yīng)堆長期運(yùn)行的需要。而低活性鐵素體/馬氏體鋼對氧就不敏感，在高溫高壓環(huán)境下與氦氣和水都具有良好的相容性，但與液態(tài)堿金屬的相容性則很差，而且液態(tài)金屬對低活性鐵素體/馬氏體鋼的腐蝕會(huì)隨著液態(tài)金屬的流速增加而顯著加深，而液態(tài)金屬的冷卻劑效用又取決于流速本身，這就對低活性馬氏體鋼在鈉冷快堆和聚變堆液態(tài)金屬包層中的應(yīng)用形成了限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種適用于鈉冷快堆和聚變液態(tài)金屬包層的復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，以及采用該材料制備管道部件的工藝。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案—種復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，包括雙層結(jié)構(gòu)，其中一層結(jié)構(gòu)采用釩合金材料，一層結(jié)構(gòu)采用低活性馬氏體鋼材料；所述的釩合金由V、Cr、Ti三種元素組成，各元素成分質(zhì)量百分比為 V占85%以上，Cr在3. 5-5. 5%之間，Ti在3. 5-10. 5%之間；所述的低活性馬氏體鋼由Fe、 Cr、V、Mn、W和Ta元素組成，各元素成分質(zhì)量百分比為Fe占86%以上，Cr在7. 5-9. 5%之間，V 在 0. 1-0. 3%之間，W在 1. 0-2. 0%之間，Mn 在 0. 1-0. 6%之間，Ta 在 0. 01-0. 3%之間。如上所述的一種復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，釩合金各元素成分質(zhì)量百分比為V占92%，Cr占 4%，Ti占4% ；低活性馬氏體鋼各元素成分質(zhì)量百分比為Fe占89%，Cr占8.5%，V占0. 25%，W 占 1. 5%，Mn 占 0. 5%，Ta 在 0. 25%。一種采用復(fù)合結(jié)構(gòu)材料制備管道部件的工藝，包括以下步驟第一步，制備粒徑范圍為50-200微米的釩合金球形粉末；第二步，制備粒徑范圍為50-200微米的低活性馬氏體鋼粉末；第三步，采用激光立體成形技術(shù)制備釩合金與低活性馬氏體鋼雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)的管道部件，具體過程如下(1)設(shè)計(jì)管道部件的三維模型；(2)將模型按一定的厚度切片分層，將管道部件的三維信息轉(zhuǎn)換為二維輪廓信息；(3)采用激光熔覆的方法，將制備好的釩合金球形粉末和低活性馬氏體鋼粉末材料按照二維輪廓信息逐層堆積，形成三維實(shí)體管道部件。如上所述的一種采用復(fù)合結(jié)構(gòu)材料制備管道部件的工藝，其特征在于所述的第一步中，制備粒徑范圍為50-200微米的釩合金球形粉末，采用以下步驟實(shí)現(xiàn)(1)制備釩合金電極棒將釩枝與鈦金屬粉、鉻金屬按比例混合，進(jìn)行真空除雜， 進(jìn)行壓棒、電子轟擊形成釩合金電極棒；(2)采用等離子輔助旋轉(zhuǎn)電極法制備釩合金球形粉末將釩合金棒材作為旋轉(zhuǎn)電極，一端連接高速電機(jī)，一端受等離子弧加熱而形成液體，利用電極高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力將釩合金液滴甩出，形成釩合金球形粉。如上所述的一種采用復(fù)合結(jié)構(gòu)材料制備管道部件的工藝，其特征在于所述的第二步中，制備粒徑范圍為50-200微米的低活性馬氏體鋼粉末，采用以下步驟實(shí)現(xiàn)(1)制備低活性馬氏體鋼棒材將活性雜質(zhì)元素含量低的高純原料采用真空感應(yīng)熔煉工藝得到鑄錠，采用熔煉工藝對鑄錠進(jìn)行二次重熔，鍛造形成低活性馬氏體鋼棒材；(2)采用等離子輔助旋轉(zhuǎn)電極法制備馬氏體鋼粉末將低活性馬氏體鋼棒材作為旋轉(zhuǎn)電極，一端連接高速電機(jī)，一端受等離子弧加熱而形成液體，利用電極高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力將液滴甩出，在惰性氣氛保護(hù)下冷卻形成球形度高的低活性馬氏體鋼球形粉。本發(fā)明的效果在于復(fù)合結(jié)構(gòu)材料選用雙層結(jié)構(gòu)，一層結(jié)構(gòu)采用釩合金材料，一層結(jié)構(gòu)采用低活性馬氏體鋼材料。實(shí)際應(yīng)用中，與液態(tài)堿金屬接觸的一側(cè)采用釩合金，與環(huán)境氣體或其他冷卻劑(氦氣和水)接觸的一側(cè)采用低活性馬氏體鋼，本發(fā)明的復(fù)合結(jié)構(gòu)材料能充分利用釩合金和低活性馬氏體鋼兩種材料在鈉冷快堆和聚變堆液態(tài)金屬應(yīng)用中各自的優(yōu)點(diǎn)，能夠有效解決抗中子輻照和耐液態(tài)金屬腐蝕的問題。采用本發(fā)明的制備工藝的優(yōu)點(diǎn)是可以顯著提高材料利用率，減少加工周期，復(fù)合材料部件成形不需制造模件，對復(fù)合材料成形零件的加工沒有尺寸限制，高能激光產(chǎn)生的快速熔化和凝固過程使復(fù)合材料本身具有致密均勻細(xì)小的組織，從而具有優(yōu)異的力學(xué)性能，強(qiáng)度和塑性可以同時(shí)達(dá)到鍛件的水平，整個(gè)加工過程在惰性氣氛保護(hù)下進(jìn)行，可以有效地防止釩合金在一般熱加工過程中的氧化問題，復(fù)合材料雙層結(jié)構(gòu)的厚度可以根據(jù)設(shè)計(jì)需要任意搭配，釩合金層與低活性馬氏體鋼層由于逐層生長而成結(jié)合緊密。
具體實(shí)施例方式下面實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
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一種復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，包括雙層結(jié)構(gòu)，其中一層結(jié)構(gòu)采用釩合金材料，一層結(jié)構(gòu)采用低活性馬氏體鋼材料。釩合金由V、Cr、Ti三種元素組成，各元素成分質(zhì)量百分比為V占 92%，Cr占4%，Ti占4%。低活性馬氏體鋼由Fe、Cr、V、Mn、W和Ta元素組成，各元素成分質(zhì)量百分比為Fe 占 89%，Cr 占 8. 5%，V 占 0. 25%，W 占 1. 5%，Mn 占 0. 5%，Ta 在 0. 25%。一種釩合金與低活性馬氏體鋼雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)無縫管，其管內(nèi)徑80mm，管外徑 120mm，管長150mm，其中管道內(nèi)側(cè)為釩合金，管道外側(cè)為低活性馬氏體鋼，釩合金層厚度 10mm，低活性馬氏體鋼厚度10mm。制備上述釩合金與低活性馬氏體鋼雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)無縫管的工藝包括以下步驟(1)制備的釩合金球形粉末將釩枝與鈦金屬粉、鉻金屬按比例混合采用電子束熔煉經(jīng)電極重熔成直徑60mm長400mm的棒材，采用等離子旋轉(zhuǎn)電極設(shè)備，利用旋轉(zhuǎn)電極工藝制備釩合金球形粉。球形粉指標(biāo)為粒徑在100-200微米之間，球形度達(dá)到99%以上，釩合金球形粉中Cr的含量在4士0. 05%之間，Ti的含量在4士0. 05%之間，在釩合金粉中氧含量控制在500ppm以下；(2)制備低活性馬氏體鋼粉末采用真空感應(yīng)熔煉澆注并鍛成直徑60mm長400mm 的低活性馬氏體棒材，采用等離子旋轉(zhuǎn)電極設(shè)備，利用旋轉(zhuǎn)電極工藝制成低活性馬氏體鋼球形粉；球形粉指標(biāo)為粒徑在100-200微米之間，球形度達(dá)到99%以上，低活性馬氏體鋼球形粉中Cr的含量為8. 5士0. 3%，W的含量為1. 5士0. 1%，V的含量為0. 25%之間，Mn的含量為 0. 5士0. 2%, Ta 的含量為 0. 25士0. 02% ；(3)采用激光立體成形技術(shù)制備釩合金與低活性馬氏體鋼雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)無縫管。 首先在計(jì)算機(jī)中生成具有雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)的管件的三維CAD模型，然后將該管件模型沿管軸方向進(jìn)行切片分為75層Omm —層)，隨后在計(jì)算機(jī)的控制下，采用激光立體成形設(shè)備，用激光熔覆的方法將制備好的釩合金球形粉末和低活性馬氏體鋼粉末材料逐層堆積，在每層堆積過程中先堆積內(nèi)側(cè)的釩合金，后堆積外側(cè)的低活性馬氏體鋼，最終形成釩合金與低活性馬氏體鋼雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)無縫管件。整個(gè)堆積過程在高純氦氣保護(hù)下進(jìn)行，保護(hù)氣氛中氧含量控制在IOppm以下。采用上述工藝制備的釩合金與低活性馬氏體鋼雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)無縫管，可以應(yīng)用于聚變液態(tài)金屬雙冷包層的鋰鉛液態(tài)金屬流道，解決結(jié)構(gòu)材料與液態(tài)金屬和氦氣中的氧雜質(zhì)同時(shí)兼容的問題，具有抗中子輻照損傷、耐蝕性強(qiáng)、輻照活性低、熱導(dǎo)率高、熱膨脹系數(shù)差小的優(yōu)點(diǎn)。顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。倘若這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，其特征在于它包括雙層結(jié)構(gòu)，其中一層結(jié)構(gòu)采用釩合金材料， 一層結(jié)構(gòu)采用低活性馬氏體鋼材料；所述的釩合金由V、Cr、Ti三種元素組成，各元素成分質(zhì)量百分比為V占85%以上，Cr在3. 5-5. 5%之間，Ti在3. 5-10. 5%之間；所述的低活性馬氏體鋼由Fe、Cr、V、Mn、W和I1a元素組成，各元素成分質(zhì)量百分比為Fe占86%以上，Cr 在 7. 5-9. 5%之間，V 在 0. 1-0. 3%之間，W 在 1. 0-2. 0%之間，Mn 在 0. 1-0. 6%之間，Ta 在 0. 01-0. 3%之間。
2.按照權(quán)利要求1所述的一種復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，其特征在于釩合金各元素成分質(zhì)量百分比為V占92%，Cr占4%，Ti占4% ；低活性馬氏體鋼各元素成分質(zhì)量百分比為Fe占 89%，Cr 占 8. 5%，V 占 0. 25%，W 占 1. 5%，Mn 占 0. 5%，Ta 在 0. 25%。
3.一種采用權(quán)利要求1所述的復(fù)合結(jié)構(gòu)材料制備管道部件的工藝，其特征在于包括以下步驟第一步，制備粒徑范圍為50-200微米的釩合金球形粉末；第二步，制備粒徑范圍為50-200微米的低活性馬氏體鋼粉末；第三步，采用激光立體成形技術(shù)制備釩合金與低活性馬氏體鋼雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)的管道部件，具體過程如下(1)設(shè)計(jì)管道部件的三維模型；(2)將模型按一定的厚度切片分層，將管道部件的三維信息轉(zhuǎn)換為二維輪廓信息；(3)采用激光熔覆的方法，將制備好的釩合金球形粉末和低活性馬氏體鋼粉末材料按照二維輪廓信息逐層堆積，形成三維實(shí)體管道部件。
4.按照權(quán)利要求3所述的一種采用復(fù)合結(jié)構(gòu)材料制備管道部件的工藝，其特征在于 所述的第一步中，制備粒徑范圍為50-200微米的釩合金球形粉末，采用以下步驟實(shí)現(xiàn)(1)制備釩合金電極棒將釩枝與鈦金屬粉、鉻金屬按比例混合，進(jìn)行真空除雜，進(jìn)行壓棒、電子轟擊形成釩合金電極棒；(2)采用等離子輔助旋轉(zhuǎn)電極法制備釩合金球形粉末將釩合金棒材作為旋轉(zhuǎn)電極， 一端連接高速電機(jī)，一端受等離子弧加熱而形成液體，利用電極高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力將釩合金液滴甩出，形成釩合金球形粉。
5.按照權(quán)利要求3所述的一種采用復(fù)合結(jié)構(gòu)材料制備管道部件的工藝，其特征在于 所述的第二步中，制備粒徑范圍為50-200微米的低活性馬氏體鋼粉末，采用以下步驟實(shí)現(xiàn)(1)制備低活性馬氏體鋼棒材將活性雜質(zhì)元素含量低的高純原料采用真空感應(yīng)熔煉工藝得到鑄錠，采用熔煉工藝對鑄錠進(jìn)行二次重熔，鍛造形成低活性馬氏體鋼棒材；(2)采用等離子輔助旋轉(zhuǎn)電極法制備馬氏體鋼粉末將低活性馬氏體鋼棒材作為旋轉(zhuǎn)電極，一端連接高速電機(jī)，一端受等離子弧加熱而形成液體，利用電極高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力將液滴甩出，在惰性氣氛保護(hù)下冷卻形成球形度高的低活性馬氏體鋼球形粉。
全文摘要
本發(fā)明屬于復(fù)合材料領(lǐng)域，具體涉及一種復(fù)合結(jié)構(gòu)材料及采用該材料制備管道部件的工藝。其特點(diǎn)在于復(fù)合結(jié)構(gòu)材料選用雙層結(jié)構(gòu)，一層結(jié)構(gòu)采用釩合金材料，一層結(jié)構(gòu)采用低活性馬氏體鋼材料。實(shí)際應(yīng)用中，與液態(tài)堿金屬接觸的一側(cè)采用釩合金，與環(huán)境氣體或其他冷卻劑接觸的一側(cè)采用低活性馬氏體鋼，本發(fā)明的復(fù)合結(jié)構(gòu)材料能充分利用釩合金和低活性馬氏體鋼兩種材料在鈉冷快堆和聚變堆液態(tài)金屬應(yīng)用中各自的優(yōu)點(diǎn)，能夠有效解決抗中子輻照和耐液態(tài)金屬腐蝕的問題。本發(fā)明的制備工藝可以顯著提高材料利用率，減少加工周期。
文檔編號(hào)B22F5/12GK102336038SQ20101023619
公開日2012年2月1日 申請日期2010年7月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月26日
發(fā)明者羅天勇 申請人:核工業(yè)西南物理研究院