本發(fā)明涉及一種低活化馬氏體鋼成分改進(jìn)以及熱處理工藝方法，是一種有效提高抗輻照低活化鋼板材高溫強(qiáng)度和高溫持久性能的工藝方法。

背景技術(shù)：

核聚變能是一種幾乎用之不竭的永久性“安全”和“清潔”能源，是未來(lái)最有潛力的能源之一。核聚變堆包層特別是包層結(jié)構(gòu)材料是聚變堆最終走向商業(yè)應(yīng)用必須發(fā)展的核心科學(xué)技術(shù)問(wèn)題之一。核聚變堆包層結(jié)構(gòu)材料面臨高能中子輻照、高溫、高熱流密度、復(fù)雜機(jī)械載荷等惡劣的環(huán)境。低活化鐵素體/馬氏體鋼(RAFM鋼)以其較高的熱導(dǎo)率、較低的輻照腫脹、抗液態(tài)PbLi腐蝕以及較為成熟的工業(yè)基礎(chǔ)等優(yōu)越性，被普遍認(rèn)為是聚變堆的首選結(jié)構(gòu)材料。2002年，中國(guó)科學(xué)院FDS團(tuán)隊(duì)開(kāi)始主持研發(fā)中國(guó)抗輻照低活化鋼CLAM(China Low Activation Martensitic)鋼(ZL 200610085908.2)。經(jīng)過(guò)十余年的發(fā)展，CLAM鋼的冶煉水平已達(dá)6.4噸，并被選為中國(guó)ITER實(shí)驗(yàn)包層模塊和中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)包層模塊的首選結(jié)構(gòu)材料。由于高溫軟化和蠕變制約，抗輻照低活化鋼目前使用溫度上限為550℃。如果提高抗輻照低活化鋼的使用溫度上限，進(jìn)而設(shè)計(jì)提高聚變堆包層的運(yùn)行溫度，可有效提高聚變堆的熱效率。氧化物彌散強(qiáng)化(Oxide dispersion strengthening，ODS)是目前普遍認(rèn)為可有效提高低活化鋼使用溫度的技術(shù)，然而由于制備工藝與技術(shù)的限制，ODS鋼的單批次產(chǎn)量小、批次間穩(wěn)定性差、尺寸小，無(wú)法較快的進(jìn)入工業(yè)化應(yīng)用階段。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明技術(shù)解決問(wèn)題：一種具有高溫機(jī)械性能的低活化馬氏體鋼及熱處理工藝方法，可以提高抗輻照低活化鋼的高溫機(jī)械性能，提升低活化馬氏體鋼使用溫度上限，從而提高聚變堆發(fā)電的熱效率，提高聚變能的利用率；本發(fā)明有較好的工業(yè)基礎(chǔ)，可大批量工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)，進(jìn)入工業(yè)化應(yīng)用。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

本發(fā)明涉及一種具有高溫機(jī)械性能的低活化馬氏體鋼及熱處理工藝方法，主要成分為Cr 8.5～9.5％，W 1.2～1.7％，V 0.15～0.25％，Ta 0.12～0.18％，Mn 0.4～0.5％，0.09％≤(C+N)≤0.17％，其中N＜0.07％(wt.％)，其余為Fe元素，控制C和N的目的是在后續(xù)的處理中形成細(xì)小彌散的碳氮化物，提升材料的高溫性能。

其熱處理制度為：

(1)淬火處理：將抗輻照低活化鋼加熱至1100±50℃，保溫40-120mim，出爐后水冷卻至室溫。此工藝階段將淬火保溫溫度的波動(dòng)范圍控制在±20℃以內(nèi)，提高爐內(nèi)溫度的均勻性，可有效改善組織均勻性差，性能不均勻等問(wèn)題?？馆椪盏突罨撛?100±50℃溫度下保溫，MX相未充分固溶于奧氏體中，未固溶的MX相在保溫階段阻礙奧氏體晶粒粗化，使材料在充分奧氏體化的同時(shí)避免晶粒粗大，提高材料的強(qiáng)度以及韌性?？馆椪盏突罨摯慊疬^(guò)程中，根據(jù)板材厚度，控制保溫時(shí)間，保證材料充分奧氏體化，避免軋制組織殘留，提高回火后材料的韌性。材料水冷后獲得全馬氏體組織，有效避免材料心部與邊緣的組織差異。

(2)回火處理：將淬火后的材料加熱至740℃±20℃，保溫90-140min，出爐后空冷至室溫。此工藝階段回火溫度不應(yīng)太高，選擇740℃可有效減緩析出相的形核與長(zhǎng)大，減緩由于析出相的析出導(dǎo)致的固溶強(qiáng)化降低以及析出相長(zhǎng)大對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻礙作用的減弱等，提高回火后材料的強(qiáng)度。將保溫時(shí)間延長(zhǎng)至90-140min，可讓位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)反應(yīng)充分，有效減少位錯(cuò)密度，位錯(cuò)纏結(jié)，避免應(yīng)力集中導(dǎo)致材料的韌性下降。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)本發(fā)明所得到的低活化馬氏體鋼相比于現(xiàn)有專利ZL200610085908.2的低活化馬氏體鋼，具有較高的高溫強(qiáng)度和高溫持久性能。其原因是通過(guò)控制材料中C和N元素的含量，使材料在鑄造以及熱加工過(guò)程中形成較多的MX相(其中M是金屬元素Ta或V，X是C或N)，當(dāng)材料在1100±50℃溫度下保溫，MX相未充分固溶于奧氏體中，未固溶的MX相在保溫階段阻礙奧氏體晶粒粗化，使材料在充分奧氏體化的同時(shí)避免晶粒粗大，提高材料的強(qiáng)度以及韌性。材料高溫服役時(shí)，未固溶的一次MX相以及回火后析出的二次MX相可阻礙位錯(cuò)以及晶界的移動(dòng)，進(jìn)而提高材料的高溫強(qiáng)度以及高溫持久性能。

(2)相比于ODS低活化鋼，本發(fā)明所得到的低活化馬氏體鋼方法簡(jiǎn)單，可重復(fù)性好，具有良好工業(yè)基礎(chǔ)，冶煉制造技術(shù)成熟，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，適合于各種低活化馬氏體鋼型材的制備。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明中的熱處理工藝圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及具體實(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1：

(1)按照成分配比：Cr 9.0％，W 1.5％，V 0.2％，Ta 0.15％，Mn 0.45％，C 0.10％，N 0.01～0.05％，Ni≤0.005％，Nb≤0.001％，Co≤0.005％，Cu≤0.005％，Mo≤0.005％，P≤0.005％，S≤0.005％，O≤0.01％，Al≤0.01％，其余為Fe元素以及合金的燒損量配比原材料。

(2)在真空感應(yīng)爐中根據(jù)合金元素的燒損和揮發(fā)特性依次加入原材料，易氧化合金元素脫氧充分后加入，易揮發(fā)合金元素在氣氛保護(hù)下或者熔煉末期停止抽真空加入，原材料經(jīng)真空感應(yīng)熔煉后制備出成分合格的鑄錠。

(3)將制備好的鑄錠采用真空自耗電弧熔煉，進(jìn)一步降低雜質(zhì)含量。

(4)將步驟(3)得到的鑄錠進(jìn)行鍛造，初始鍛造溫度為1150，保溫60min，終鍛溫度850℃。

(5)將鍛造的材料進(jìn)行軋制處理，軋制溫度1100℃，保溫80min，終軋溫度900℃，軋制后空冷，總的變形量不低于200％，得到12mm厚的熱軋鋼板。

(6)將熱軋后的鋼板進(jìn)行熱處理，熱處理工藝如圖1所示，為：

淬火：在爐溫略高于1100℃的條件下，將低活化馬氏體鋼板材放入爐內(nèi)加熱。材料加熱至1100℃，爐內(nèi)溫差不超過(guò)20℃，根據(jù)厚度保溫50min；出爐后水冷到室溫；

回火：在爐溫略高于740℃的條件下，將低活化馬氏體鋼板材放入爐內(nèi)加熱，材料加熱至740℃，爐內(nèi)溫差不超過(guò)20℃，根據(jù)厚度不同保溫90min，出爐后空冷至室溫。

將熱處理后的材料進(jìn)行性能測(cè)試，得到低活化馬氏體鋼室溫抗拉強(qiáng)度為814MPa；550℃抗拉強(qiáng)度為588MPa；650℃抗拉強(qiáng)度為410MPa；縱向和橫向樣品的室溫沖擊吸收功均超過(guò)200J；在600℃，190MPa應(yīng)力條件下蠕變的持久時(shí)間超過(guò)10000h。

實(shí)施例2：

(1)按照成分配比：Cr 9.0％，W 1.5％，V 0.2％，Ta 0.15％，Mn 0.45％，C 0.10％，N 0.01～0.05％，Ni≤0.005％，Nb≤0.001％，Co≤0.005％，Cu≤0.005％，Mo≤0.005％，P≤0.005％，S≤0.005％，O≤0.01％，Al≤0.01％，其余為Fe元素以及合金的燒損量配比原材料。

(2)在真空感應(yīng)爐中根據(jù)合金元素的燒損和揮發(fā)特性依次加入原材料，易氧化合金元素脫氧充分后加入，易揮發(fā)合金元素在氣氛保護(hù)下或者熔煉末期停止抽真空加入，原材料經(jīng)真空感應(yīng)熔煉后制備出成分合格的鑄錠。

(3)將制備好的鑄錠采用真空自耗電弧熔煉，進(jìn)一步降低雜質(zhì)含量。

(4)將步驟(3)得到的鑄錠進(jìn)行鍛造，初始鍛造溫度為1150，保溫60min，終鍛溫度850℃。

(5)將鍛造的材料進(jìn)行軋制處理，軋制溫度1100℃，保溫80min，終軋溫度900℃，軋制后空冷，總的變形量不低于200％，得到20mm厚的熱軋鋼板。

(6)將熱軋后的鋼板進(jìn)行熱處理，熱處理工藝為：

淬火：在爐溫略高于1100℃的條件下，將低活化馬氏體鋼板材放入爐內(nèi)加熱。材料加熱至1100℃，爐內(nèi)溫差不超過(guò)20℃，根據(jù)厚度保溫70min；出爐后水冷到室溫；

回火：在爐溫略高于740℃的條件下，將低活化馬氏體鋼板材放入爐內(nèi)加熱，材料加熱至740℃，爐內(nèi)溫差不超過(guò)20℃，根據(jù)厚度不同保溫100min，出爐后空冷至室溫。

將熱處理后的材料進(jìn)行性能測(cè)試，得到低活化馬氏體鋼室溫抗拉強(qiáng)度為809MPa；550℃抗拉強(qiáng)度為582MPa；650℃抗拉強(qiáng)度為403MPa；縱向和橫向樣品的室溫沖擊吸收功均超過(guò)200J；在600℃，190MPa應(yīng)力條件下蠕變的持久時(shí)間超過(guò)10000h。

實(shí)施例3：

(1)按照成分配比：Cr 9.0％，W 1.5％，V 0.2％，Ta 0.15％，Mn 0.45％，C 0.10％，N 0.01～0.05％，Ni≤0.005％，Nb≤0.001％，Co≤0.005％，Cu≤0.005％，Mo≤0.005％，P≤0.005％，S≤0.005％，O≤0.01％，Al≤0.01％，其余為Fe元素以及合金的燒損量配比原材料。

(2)在真空感應(yīng)爐中根據(jù)合金元素的燒損和揮發(fā)特性依次加入原材料，易氧化合金元素脫氧充分后加入，易揮發(fā)合金元素在氣氛保護(hù)下或者熔煉末期停止抽真空加入，原材料經(jīng)真空感應(yīng)熔煉后制備出成分合格的鑄錠。

(3)將制備好的鑄錠采用真空自耗電弧熔煉，進(jìn)一步降低雜質(zhì)含量。

(4)將步驟(3)得到的鑄錠進(jìn)行鍛造，初始鍛造溫度為1150，保溫60min，終鍛溫度850℃。

(5)將鍛造的材料進(jìn)行軋制處理，軋制溫度1100℃，保溫80min，終軋溫度900℃，軋制后空冷，總的變形量不低于200％，得到35mm厚的熱軋鋼板。

(6)將熱軋后的鋼板進(jìn)行熱處理，熱處理工藝為：

淬火：在爐溫略高于1100℃的條件下，將低活化馬氏體鋼板材放入爐內(nèi)加熱。材料加熱至1100℃，爐內(nèi)溫差不超過(guò)20℃，根據(jù)厚度保溫100min；出爐后水冷到室溫；

回火：在爐溫略高于740℃的條件下，將低活化馬氏體鋼板材放入爐內(nèi)加熱，材料加熱至740℃，爐內(nèi)溫差不超過(guò)20℃，根據(jù)厚度不同保溫120min，出爐后空冷至室溫。

將熱處理后的材料進(jìn)行性能測(cè)試，得到低活化馬氏體鋼室溫抗拉強(qiáng)度為811MPa；550℃抗拉強(qiáng)度為590MPa；650℃抗拉強(qiáng)度為409MPa；縱向和橫向樣品的室溫沖擊吸收功均超過(guò)200J；在600℃，190MPa應(yīng)力條件下蠕變的持久時(shí)間超過(guò)10000h。

實(shí)施例4：

(1)按照成分配比：Cr 9.0％，W 1.5％，V 0.2％，Ta 0.15％，Mn 0.45％，C 0.10％，N 0.01～0.05％，Ni≤0.005％，Nb≤0.001％，Co≤0.005％，Cu≤0.005％，Mo≤0.005％，P≤0.005％，S≤0.005％，O≤0.01％，Al≤0.01％，其余為Fe元素以及合金的燒損量配比原材料。

(2)在真空感應(yīng)爐中根據(jù)合金元素的燒損和揮發(fā)特性依次加入原材料，易氧化合金元素脫氧充分后加入，易揮發(fā)合金元素在氣氛保護(hù)下或者熔煉末期停止抽真空加入，原材料經(jīng)真空感應(yīng)熔煉后制備出成分合格的鑄錠。

(3)將制備好的鑄錠采用真空自耗電弧熔煉，進(jìn)一步降低雜質(zhì)含量。

(4)將步驟(3)得到的鑄錠進(jìn)行鍛造，初始鍛造溫度為1150，保溫60min，終鍛溫度850℃。

(5)將鍛造的材料進(jìn)行軋制處理，軋制溫度1100℃，保溫80min，終軋溫度900℃，軋制后空冷，總的變形量不低于200％，得到55mm厚的熱軋鋼板。

(6)將熱軋后的鋼板進(jìn)行熱處理，熱處理工藝為：

淬火：在爐溫略高于1100℃的條件下，將低活化馬氏體鋼板材放入爐內(nèi)加熱。材料加熱至1100℃，爐內(nèi)溫差不超過(guò)20℃，根據(jù)厚度保溫110min；出爐后水冷到室溫；

回火：在爐溫略高于740℃的條件下，將低活化馬氏體鋼板材放入爐內(nèi)加熱，材料加熱至740℃，爐內(nèi)溫差不超過(guò)20℃，根據(jù)厚度不同保溫120min，出爐后空冷至室溫。

將熱處理后的材料進(jìn)行性能測(cè)試，得到低活化馬氏體鋼板在不同厚度取樣的性能有所差異，鋼板表面室溫抗拉強(qiáng)度為819MPa；550℃抗拉強(qiáng)度為594MPa；650℃抗拉強(qiáng)度為417MPa；縱向和橫向樣品的室溫沖擊吸收功均超過(guò)200J；在600℃，190MPa應(yīng)力條件下蠕變的持久時(shí)間超過(guò)10000h；鋼板中部的室溫抗拉強(qiáng)度為803MPa；550℃抗拉強(qiáng)度為581MPa；650℃抗拉強(qiáng)度為401MPa；縱向和橫向樣品的室溫沖擊吸收功均超過(guò)200J；在600℃，190MPa應(yīng)力條件下蠕變的持久時(shí)間超過(guò)10000h。

實(shí)施例5：

(1)按照成分配比：Cr 9.0％，W 1.5％，V 0.2％，Ta 0.18％，Mn 0.45％，C 0.10％，N 0.01～0.05％，Ni≤0.005％，Nb≤0.001％，Co≤0.005％，Cu≤0.005％，Mo≤0.005％，P≤0.005％，S≤0.005％，O≤0.01％，Al≤0.01％，其余為Fe元素以及合金的燒損量配比原材料。

(2)在真空感應(yīng)爐中根據(jù)合金元素的燒損和揮發(fā)特性依次加入原材料，易氧化合金元素脫氧充分后加入，易揮發(fā)合金元素在氣氛保護(hù)下或者熔煉末期停止抽真空加入，原材料經(jīng)真空感應(yīng)熔煉后制備出成分合格的鑄錠。

(3)將制備好的鑄錠采用真空自耗電弧熔煉，進(jìn)一步降低雜質(zhì)含量。

(4)將步驟(3)得到的鑄錠進(jìn)行鍛造，初始鍛造溫度為1150，保溫60min，終鍛溫度850℃。

(5)將鍛造的材料進(jìn)行軋制處理，軋制溫度1100℃，保溫80min，終軋溫度900℃，軋制后空冷，總的變形量不低于200％，得到12mm厚的熱軋鋼板。

(6)將熱軋后的鋼板進(jìn)行熱處理，熱處理工藝如圖1所示，為：

淬火：在爐溫略高于1100℃的條件下，將低活化馬氏體鋼板材放入爐內(nèi)加熱。材料加熱至1100℃，爐內(nèi)溫差不超過(guò)20℃，根據(jù)厚度保溫50min；出爐后水冷到室溫；

回火：在爐溫略高于740℃的條件下，將低活化馬氏體鋼板材放入爐內(nèi)加熱，材料加熱至740℃，爐內(nèi)溫差不超過(guò)20℃，根據(jù)厚度不同保溫90min，出爐后空冷至室溫。

將熱處理后的材料進(jìn)行性能測(cè)試，得到低活化馬氏體鋼室溫抗拉強(qiáng)度為835MPa；550℃抗拉強(qiáng)度為601MPa；650℃抗拉強(qiáng)度為431MPa；縱向和橫向樣品的室溫沖擊吸收功均超過(guò)200J；在600℃，190MPa應(yīng)力條件下蠕變的持久時(shí)間超過(guò)10000h。

實(shí)施例6：

(1)按照成分配比：Cr 9.0％，W 1.5％，V 0.2％，Ta 0.12％，Mn 0.45％，C 0.10％，N 0.01～0.05％，Ni≤0.005％，Nb≤0.001％，Co≤0.005％，Cu≤0.005％，Mo≤0.005％，P≤0.005％，S≤0.005％，O≤0.01％，Al≤0.01％，其余為Fe元素以及合金的燒損量配比原材料。

(2)在真空感應(yīng)爐中根據(jù)合金元素的燒損和揮發(fā)特性依次加入原材料，易氧化合金元素脫氧充分后加入，易揮發(fā)合金元素在氣氛保護(hù)下或者熔煉末期停止抽真空加入，原材料經(jīng)真空感應(yīng)熔煉后制備出成分合格的鑄錠。

(3)將制備好的鑄錠采用真空自耗電弧熔煉，進(jìn)一步降低雜質(zhì)含量。

(4)將步驟(3)得到的鑄錠進(jìn)行鍛造，初始鍛造溫度為1150，保溫60min，終鍛溫度850℃。

(5)將鍛造的材料進(jìn)行軋制處理，軋制溫度1100℃，保溫80min，終軋溫度900℃，軋制后空冷，總的變形量不低于200％，得到12mm厚的熱軋鋼板。

(6)將熱軋后的鋼板進(jìn)行熱處理，熱處理工藝如圖1所示，為：

淬火：在爐溫略高于1100℃的條件下，將低活化馬氏體鋼板材放入爐內(nèi)加熱。材料加熱至1100℃，爐內(nèi)溫差不超過(guò)20℃，根據(jù)厚度保溫50min；出爐后水冷到室溫；

回火：在爐溫略高于740℃的條件下，將低活化馬氏體鋼板材放入爐內(nèi)加熱，材料加熱至740℃，爐內(nèi)溫差不超過(guò)20℃，根據(jù)厚度不同保溫90min，出爐后空冷至室溫。

將熱處理后的材料進(jìn)行性能測(cè)試，得到低活化馬氏體鋼室溫抗拉強(qiáng)度為798MPa；550℃抗拉強(qiáng)度為562MPa；650℃抗拉強(qiáng)度為402MPa；縱向和橫向樣品的室溫沖擊吸收功均超過(guò)200J；在600℃，190MPa應(yīng)力條件下蠕變的持久時(shí)間超過(guò)10000h。

總之，本發(fā)明主要成分為Cr 8.5～9.5％，W 1.2～1.7％，V 0.15～0.25％，Ta 0.12～0.18％，Mn 0.4～0.5％，0.09％≤(C+N)≤0.17％，其中N＜0.07％(wt.％)，其余為Fe元素，控制C和N的目的是在后續(xù)的處理中形成細(xì)小彌散的碳氮化物，從而有效提高材料的高溫強(qiáng)度和高溫持久性能，提高抗輻照低活化鋼的使用溫度上限。通過(guò)本發(fā)明所述及的方法，低活化馬氏體鋼板的室溫抗拉強(qiáng)度由原來(lái)的660MPa提高到800MPa以上，550℃抗拉強(qiáng)度由380MPa提高到600MPa(與原來(lái)的對(duì)比)，同時(shí)可使韌性滿足聚變堆的使用要求。

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)明權(quán)利要求1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)。