專利名稱：一種改進(jìn)型結(jié)構(gòu)材料馬氏體耐熱鋼及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種結(jié)構(gòu)材料馬氏體耐熱鋼及其制備方法，具有很好的耐高溫強(qiáng)度(蠕變和熱疲勞)、抗腐蝕性和抗氧化性，同時(shí)可抗強(qiáng)中子輻照。它適用于ADS反應(yīng)堆，另外也適應(yīng)于在其它先進(jìn)反應(yīng)堆及高溫環(huán)境下使用。
背景技術(shù)：
ADS反應(yīng)堆是一種嬗變核廢料和產(chǎn)生潔凈核能的新型核能系統(tǒng)，其獨(dú)特的輻照條件和腐蝕問(wèn)題，對(duì)候選結(jié)構(gòu)材料提出更為苛刻的要求。目前國(guó)際上對(duì)ADS堆用結(jié)構(gòu)材料的研究主要集中在馬氏體/鐵素體耐熱鋼，其主要特征是在傳統(tǒng)耐熱鋼的基礎(chǔ)上降低含碳 量，嚴(yán)格限制硫、磷含量，添加少量釩和鈮進(jìn)行合金化，以保證其具有高溫耐腐蝕性和強(qiáng)度。作為反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料，要求其具有高的上限使用溫度以及長(zhǎng)時(shí)高溫服役下的相穩(wěn)定性以提高反應(yīng)堆的經(jīng)濟(jì)性和安全性?，F(xiàn)有結(jié)構(gòu)材料商用馬氏體耐熱鋼T/P91由于具有良好的抗輻照和腐蝕能力以及較好的高溫性能，被國(guó)際上普遍認(rèn)為可以作為ADS反應(yīng)堆的首選結(jié)構(gòu)鋼材料。但該結(jié)構(gòu)鋼材料距ADS反應(yīng)堆應(yīng)用要求仍有不足之處，如高溫性能需要進(jìn)一步提高。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有馬氏體耐熱鋼存在的問(wèn)題，通過(guò)細(xì)化MX型析出相，提出一種改進(jìn)型結(jié)構(gòu)材料馬氏體鋼耐熱鋼，其高溫性能和析出相熱穩(wěn)定性較T/P91均有顯著提高。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種改進(jìn)型結(jié)構(gòu)材料馬氏體耐熱鋼，其中C 0. 05 0. 15%，Mn 0. 30 0. 60%，Si 0. 20 0. 50%, Cr 8. 0 9. 5%, Mo 0. 85 I. 05%, V 0. 18 0. 25%, Ta+Nb 0. 05 0. 30%, N0. 003 0. 07%, P ( 0. 02%, S ^ 0. 01%, Al ( 0. 04%, Ni ( 0. 4%，余量為 Fe。該鋼中采用合金元素Ta部分或全部替代T/P91中的Nb，通過(guò)細(xì)化MX型析出相，提高了高溫使用性能。其最終熱處理制度950-1100°C保溫20-40min后淬火，然后730_78(TC保溫60-100min后回火，回火后得到完全回火馬氏體組織。本發(fā)明的原理本發(fā)明從對(duì)結(jié)構(gòu)材料的高溫性能和析出相穩(wěn)定性等方面考慮，對(duì)現(xiàn)有的馬氏體耐熱鋼T/P91的配方成分進(jìn)行了進(jìn)一步深入研究與優(yōu)化。微合金元素Nb在T/P91中主要是通過(guò)形成穩(wěn)定的析出相NbC以O(shè)rwan機(jī)制的方式實(shí)現(xiàn)第二相強(qiáng)化阻礙位錯(cuò)的移動(dòng)來(lái)改善高溫性能，第二相尺寸和熱穩(wěn)定直接關(guān)系到強(qiáng)化效果。本發(fā)明用Ta元素來(lái)部分或全部替代T/P91中的Nb，通過(guò)生成更為穩(wěn)定的和尺寸更為細(xì)小的TaC來(lái)改善T/P91的高溫性能，提高其使用溫度和高溫服役安全性，對(duì)發(fā)展ADS反應(yīng)堆具有重要意義。Nb (C，N)析出相在650°C時(shí)效 IOOOOh后，平均尺寸為2(T40nm ;Ta (C，N)析出相在60(T650°C時(shí)效30000h時(shí)后，平均尺寸為17_23nm，即使在750°C時(shí)效 lOOOh，Ta(C, N)析出相尺寸也不超過(guò)30nm。此外,熱力學(xué)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明,TaC析出相的熱穩(wěn)定性高于 NbC。與T/P91相比，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)材料具有更為細(xì)小的析出相，其熱穩(wěn)定性更高，從而提高了材料的高溫性能以及長(zhǎng)時(shí)高溫服役下的安全性。本發(fā)明制備的結(jié)構(gòu)鋼材料通過(guò)Ta部分或全部替代T/P91中的Nb，在保留T/P91優(yōu)良性能的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了 MX型析出相的細(xì)化，進(jìn)一步提高了材料的高溫性能和使用安全性。利用本發(fā)明的馬氏體耐熱鋼作為ADS反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)材料，可使ADS反應(yīng)堆系統(tǒng)成為真正意義上的清潔能源，有利于提高其發(fā)電效率和安全性。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于(I)本發(fā)明從細(xì)化MX型析出相的角度提出用Ta部分或全部替代T/P91中的Nb，通過(guò)生成更為細(xì)小和穩(wěn)定的TaC析出相來(lái)進(jìn)一步改善T/P91的高溫性能，提高其使用溫度 和高溫服役條件下的使用安全性，適合在ADS反應(yīng)堆及其它先進(jìn)反應(yīng)堆下使用，同時(shí)也可以在其它高溫環(huán)境下使用。(2)具有很好的耐高溫強(qiáng)度(蠕變和熱疲勞)、抗腐蝕性和抗氧化性，同時(shí)可抗強(qiáng)中子輻照。它適用于ADS反應(yīng)堆，另外也適應(yīng)于在其它先進(jìn)反應(yīng)堆及高溫環(huán)境下使用。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例詳細(xì)介紹本發(fā)明。但以下的實(shí)施例僅限于解釋本發(fā)明，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)包括權(quán)利要求的全部?jī)?nèi)容，不僅僅限于本實(shí)施例。實(shí)施例I :第一步按照成分配比(C0. 10%, Mn 0. 45%, Si 0. 30%, Cr 9. 0%, Mo I. 0%, V0. 20%, Ta 0. 10%, Nb 0. 05%, N 0. 01%, P 彡 0. 02%, S 彡 0. 01%, Al ( 0. 04%, Ni 彡 0. 4%，余
量為Fe)和合金燒損量配備原材料。第二步在真空感應(yīng)爐中根據(jù)合金元素的燒損和揮發(fā)特性依次加入合金原料，熔煉制備出成分合格的鑄錠。加料原則易氧化合金元素脫氧充分后加入，易揮發(fā)合金元素氣氛保護(hù)下或者熔煉末期停止抽真空后加入。第三步鍛造和軋制，制備出所需的型材鍛造初始鍛造溫度1150°C，保溫時(shí)間lh，終鍛溫度900°C，鍛造比5 ；軋制退火溫度1050°C，保溫時(shí)間lh，終軋溫度800°C，冷卻方式為空冷，總變形量90%。其最終熱處理制度980°C保溫30min后淬火，然后760°C保溫90min后回火，回火后得到完全回火馬氏體組織。對(duì)組織進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)MX型析出相主要為Nb (C，N)和Ta (C，N)，其中Nb (C，N)平均尺寸為30nm，Ta (C，N)平均尺寸為20nm。相比T/P91中的平均尺寸為30nm的Nb(C，N)析出相，實(shí)施方案通過(guò)加入Ta部分替代Nb，獲得了更為細(xì)小的Ta (C，N)析出相，其平均尺寸為20mn，從而細(xì)化了析出相。實(shí)施例2 第一步按照成分配比(C0. 15%, Mn 0. 50%, Si 0. 35%, Cr 8. 5%, Mo I. 05%, V
0.25%, Ta 0. 15%, N 0. 005%, P 彡 0. 02%, S 彡 0. 01%, Al ( 0. 04%, Ni ( 0. 4%,余量為 Fe)和
合金燒損量配備原材料。
第二步在真空感應(yīng)爐中根據(jù)合金元素的燒損和揮發(fā)特性依次加入合金原料，熔煉制備出成分合格的鑄錠。加料原則易氧化合金元素脫氧充分后加入，易揮發(fā)合金元素氣氛保護(hù)下或者熔煉末期停止抽真空后加入。第三步鍛造和軋制，制備出所需的型材鍛造初始鍛造溫度1150°C，保溫時(shí)間70min，終鍛溫度850°C，鍛造比6 ;軋制退火溫度1050°C，保溫時(shí)間75min，終軋溫度850°C，冷卻方式為空冷，總變形量95%。其最終熱處理制度1000°C保溫40min后淬火，然后780°C保溫IOOmin后回火，回
火后得到完全回火馬氏體組織。 對(duì)組織進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)MX型析出相主要為Ta (C，N)，平均尺寸為20nm。相比T/P91中的平均尺寸為30nm的Nb (C，N)析出相，實(shí)施方案通過(guò)加入Ta完全替代Nb，析出相主要為Ta (C，N)，其平均尺寸為20mn，從而細(xì)化了 MX型析出相?？傊景l(fā)明通過(guò)采用Ta部分或全部替代T/P91中的Nb，對(duì)新型結(jié)構(gòu)鋼的MX型析出相進(jìn)行了細(xì)化，其尺寸從2(T40nm降低到17 23nm，熱穩(wěn)定性進(jìn)一步提高。在保持T/P91原有優(yōu)良性能的同時(shí)進(jìn)一步改善了材料的高溫性能，同時(shí)提高了高溫服役時(shí)的安全可靠性。它可應(yīng)用于ADS反應(yīng)堆及其它先進(jìn)反應(yīng)堆，同時(shí)也可以應(yīng)用在其它高溫環(huán)境下。需要說(shuō)明的是，按照本發(fā)明上述各實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員是完全可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明獨(dú)立權(quán)利要求及從屬權(quán)利的全部范圍的，實(shí)現(xiàn)過(guò)程及方法同上述各實(shí)施例；且本發(fā)明未詳細(xì)闡述部分屬于本領(lǐng)域公知技術(shù)。以上所述，僅為本發(fā)明部分具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本領(lǐng)域的人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種改進(jìn)型結(jié)構(gòu)材料馬氏體耐熱鋼，其特征在于各成分質(zhì)量百分比為C O. 05 O. 15%, Mn O. 30 0· 60%, Si O. 20 0· 50%, Cr 8. 0 9· 5%, Mo O. 85 I. 05%, VO.18 O. 25%, Ta+Nb O. 05 O. 30%, N O. 003 O. 07%, P 彡 O. 02%, S 彡 O. 01%, Al ( O. 04%,Ni≤O. 4%，余量為Fe。
2.一種改進(jìn)型結(jié)構(gòu)材料馬氏體耐熱鋼的制備方法，其特征在于在真空感應(yīng)熔煉爐中按照權(quán)利要求I所述組分配料熔煉后鍛造和軋制成所需的型材，熱處理工藝為950-1100°C保溫20-40min后淬火，然后730-780°C保溫60-100min后回火，回火后得到完全回火馬氏體組織，即得到改進(jìn)型結(jié)構(gòu)材料馬氏體耐熱鋼。
全文摘要
一種改進(jìn)型結(jié)構(gòu)材料馬氏體鋼及其制備方法，基體為Fe元素，其中含有C 0.05~0.15%，Mn 0.30~0.60%，Si 0.20~0.50%，Cr 8.0~9.5%，Mo 0.85~1.05%，V 0.18~0.25%，Ta+Nb 0.05~0.30%，N 0.003~0.07%，高溫性能和抗腐蝕性能優(yōu)異，同時(shí)抗強(qiáng)中子輻照。該結(jié)構(gòu)鋼配方采用微合金元素Ta部分或全部替代T/P91中的Nb，對(duì)MX型析出相進(jìn)行了細(xì)化，提高其熱穩(wěn)定性能，從而進(jìn)一步改善了材料的高溫性能并提高了其高溫服役時(shí)的安全可靠性，適合在ADS反應(yīng)堆及其它先進(jìn)反應(yīng)堆下使用，同時(shí)也可以在其它高溫環(huán)境下使用。
文檔編號(hào)C22C38/26GK102851610SQ20121026417
公開日2013年1月2日 申請(qǐng)日期2012年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月27日
發(fā)明者劉少軍, 黃群英, 夏志新, 李春京, 吳宜燦 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院