阻氫滲透層的鋼基結(jié)構(gòu)材料的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及聚變堆包層結(jié)構(gòu)材料及阻氫材料領(lǐng)域，確切地說是一種聚變堆用可低溫生成a -Al2O3阻氫滲透層的鋼基結(jié)構(gòu)材料。
【背景技術(shù)】
[0002]人類的生存和發(fā)展離不開能源，隨著社會生產(chǎn)力的發(fā)展，人類對能源的需求迅速增加。核聚變能是潛在的清潔安全能源，其主要燃料氘(D)大量存在于海水之中，幾乎取之不盡用之不竭，核聚變能因其對環(huán)境友好和不產(chǎn)生放射性廢料的高安全性等優(yōu)勢，成為解決能源危機最有效的方法之一。隨著國際熱核實驗堆(Internat1nal ThermonuclearExperimental Reactor，ITER)建設(shè)的推進，中國也正在進行聚變工程試驗堆(ChineseFus1n Engineering Testing Reactor, CFETR)的概念設(shè)計。作為聚變氖-氣(D-T)反應(yīng)的燃料，T的用量非常巨大(一個lGW/y的D-T反應(yīng)堆每年需消耗56 kg的T)，而自然界中幾乎沒有T，目前靠裂變堆提供T的造價又極其高昂(CANDU堆生產(chǎn):約30000美元/g)，因此未來聚變堆將引入T增殖包層，自己解決這一問題。T損失和存量與裝置中T接觸到的材料和部件的設(shè)計及運行模式密切相關(guān)，T在這些材料中的滲透與滯留行為又起到最關(guān)鍵作用，直接關(guān)系著未來聚變堆運行的經(jīng)濟性與安全性。綜合目前國內(nèi)的阻氫材料的研發(fā)現(xiàn)狀，氧化鋁仍是阻氫涂層的最有潛力的材料之一，但是氧化鋁涂層的制備仍存在幾個難以解決問題:1.氧化鋁和基體熱脹系數(shù)不匹配，抗熱沖擊性能差；2.涂層很難大面積制備，在管道內(nèi)部尤其是TBM (Test blanket module，包層測試模塊)復(fù)雜的冷卻回路內(nèi)部的均勾性及致密性很難達到；3.致密性最好，阻氚性能最佳的Ct-Al2O3的形成溫度一般在1150°C以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基體(低活化鐵素體馬氏體鋼等)的相變溫度(低活化鐵素體馬氏體鋼相變溫度約為850°C)。4.涂層會受到中子的輻照，并可能會受到液態(tài)氚增殖劑及液態(tài)冷卻劑的腐蝕，其阻氫效果將會隨著工作時間的增長而劇烈降低。專利公開號CN 103160828A中，公布了一種鋼基氧化鋁阻氫滲透復(fù)合涂層的制備工藝，該工藝采用磁控濺射、等離子體噴涂等工藝
獲得的氧化鋁涂層為非晶態(tài)或γ相氧化鋁，其阻氚效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)差于Ct-Al2O3，并且磁控濺射等工藝難以在管道內(nèi)壁等異形件制備阻氫滲透涂層。專利公開號CN 1415783中，公布了一種基于滲鋁工藝和表面原位氧化工藝在不銹鋼上生長氧化鋁膜層的方法，但是其滲鋁及氧化溫度為900°C，高于聚變用低活化鐵素體馬氏體鋼的相變溫度，將對基體性能產(chǎn)生影響。專利公開號CN 103374684A公布了一種含鋁氧化物彌散強化鐵素體鋼及其制備方法，其鋁的添加是為了獲得更好的抗氧化性能，其材料設(shè)計制備過程中未考慮鉻鋁含量對材料可形成C1-Al2O3層的影響及材料阻氫性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]—種聚變堆用可低溫生成C1-Al2O3阻氫滲透層的鋼基結(jié)構(gòu)材料，其特征在于:含有下述重量百分的成分:Al: 1.0-4.5%，Cr:9.5-18%, W: 1.5-2.5%，C:0.08-0.12%，S1:0.10-0.30%，V: 0.10-0.30%，T1:0.0-0.03%，Ta: 0.0-0.10%，N: 0.01-0.05%，Mn: 0.30-0.60%，余量為 Fe。
[0004]所述的一種聚變堆用可低溫生成a -Al2O3阻氫滲透層的鋼基結(jié)構(gòu)材料，其特征在于:制備方法為:按照各成分百分比需要分別取純金屬原材料進行真空感應(yīng)熔煉及電渣重熔，然后進行鍛造和乳制空冷到室溫，再經(jīng)過熱處理工藝后，即得。
[0005]所述的一種聚變堆用可低溫生成a -Al2O3阻氫滲透層的鋼基結(jié)構(gòu)材料，其特征在于:所述的熱處理工藝具體為:1000-1100°C固溶0.4-0.6h，淬火，740_750°C下保溫2h，回火。
[0006]通過對純金屬鐵、鋁、鎢、鉻、釩等原材料進行真空感應(yīng)熔煉及電渣重熔獲得上述鋼材料。然后進行鍛造和乳制空冷到室溫。最終熱處理制度參考了國際上著名的EUR0FER97、F82H 鋼，具體為 900_1150°C 固溶 0.5h，淬火，740_780°C/2h，回火。
[0007]本發(fā)明的有益效果為:為滿足聚變阻氫滲透材料的基本要求，本發(fā)明將鋼材料原位低溫生長a -Al2O3層概念引入到聚變堆包層結(jié)構(gòu)材料的研發(fā)領(lǐng)域，在保證良好高溫力學(xué)性能及抗輻照性能的基礎(chǔ)上，犧牲掉部分低活化特性，在鐵素體馬氏體鋼中引入2%_6%的鋁，并可控制鋼中的鉻含量在熱氧化過程中促進a -Al2O3形核，從而在低溫條件下獲得致密且具有極好阻氫滲透效果的a -Al2O3氧化層，在阻氫層受到長期中子輻照、冷卻劑或液態(tài)氚增殖劑腐蝕導(dǎo)致阻氫效果變差后，可以通過再次熱氧化達到自修復(fù)，從而可以在材料長期服役后，仍能保證足夠的阻氫效率。由于熱氧化法可以在任何復(fù)雜構(gòu)件表面形成均勻致密的阻氫層，本發(fā)明特別適合于制作包層異形件如細(xì)長冷卻管道，可以在滿足基礎(chǔ)力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，在內(nèi)壁大面積獲得均勻且具有較好阻氫效果及自修復(fù)能力的阻氫滲透層。
【具體實施方式】
[0008]下面結(jié)合具體實例對本發(fā)明做進一步的詳細(xì)說明。
[0009]實施實例1:
一種含Al，Cr鐵素體馬氏體鋼結(jié)構(gòu)材料，該鋼的化學(xué)成分(重量百分比)為:Α1:2.5%，Cr: 14%, ff:l.5%，C:0.08%，S1:0.20%，V:0.10%，T1:0.01%，Ta:0.05%，Ν:0.01%，Mn:0.30%，
余量為Fe。
[0010]將純金屬鐵、鋁、鎢、鉻、釩等原材料進行真空感應(yīng)熔煉及電渣重熔獲得上述鋼材料。然后進行鍛造和乳制空冷到室溫。熱處理工藝為:1000°C固溶0.5h，淬火，740°C/2h，回火。
[0011]該鋼的沖擊功大于180J，室溫拉伸強度大約為600Mpa，屈服強度大于520Mpa，韌脆轉(zhuǎn)換溫度DBTT約為-70°C。經(jīng)過在750°C大氣暴露下的1h原位氧化后，可在其表面產(chǎn)生約70nm厚a -Al2O3層，氧化層無縱深裂紋。經(jīng)過350 °C_550°C溫度范圍內(nèi)10_105pa氘氣相驅(qū)動滲透測試，其氘滲透率/擴散系數(shù)相比未氧化母材有約1000倍的下降。
[0012]實施實例2:
一種含Al，Cr鐵素體馬氏體鋼結(jié)構(gòu)材料，該鋼的化學(xué)成分(重量百分比)為:Al:4.0%，Cr: 16%, ff:l.5%，C:0.10%，S1: 0.10%，V: 0.20%，T1: 0.02%，Ta: 0.0，N: 0.02%，Mn: 0.40%，余量為Fe。
[0013]將純金屬鐵、鋁、鎢、鉻、釩等原材料進行真空感應(yīng)熔煉及電渣重熔獲得上述鋼材料。然后進行鍛造和乳制空冷到室溫。熱處理工藝為:1000°C固溶0.5h，淬火，760°C/2h，回火。
[0014]該鋼的沖擊功大于210J，室溫拉伸強度大約為650Mpa，屈服強度大于560Mpa，韌脆轉(zhuǎn)換溫度DBTT約為-60°C。經(jīng)過在740°C大氣暴露下的1h原位氧化后，可在其表面產(chǎn)生約80nm厚a -Al2O3層，氧化層無縱深裂紋。經(jīng)過350 °C_550°C溫度范圍內(nèi)10_105pa氘氣相驅(qū)動滲透測試，其氘滲透率/擴散系數(shù)相比未氧化母材有約1000倍的下降。
[0015]綜合上述兩例，本發(fā)明可制備獲得具有良好高溫力學(xué)性能結(jié)構(gòu)鋼材料，并可在鋼相變溫度下通過原位氧化獲得致密且具有極好阻氫滲透效果的a -Al2O3氧化層，因此，本發(fā)明特別適合于應(yīng)用于制作包層異形件及涉氚管道。但需要指出的是，本發(fā)明的聚變堆用可低溫生成a -Al2O3阻氫滲透層的鋼基結(jié)構(gòu)材料及其制備方法并不限于特定的原料或工藝，以上所述兩例僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種聚變堆用可低溫生成α -Al 203阻氫滲透層的鋼基結(jié)構(gòu)材料，其特征在于:含有下述重量百分的成分:Al: 1.0-4.5%，Cr:9.5-18%, W: 1.5-2.5%，C:0.08-0.12%，S1: 0.10-0.30%，V: 0.10-0.30%，T1: 0.0-0.03%，Ta: 0.0-0.10%，N: 0.01-0.05%，Mn: 0.30-0.60%，余量為 Fe。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種聚變堆用可低溫生成α-Al 203阻氫滲透層的鋼基結(jié)構(gòu)材料，其特征在于:制備方法為:按照各成分百分比需要分別取純金屬原材料進行真空感應(yīng)熔煉及電渣重熔，然后進行鍛造和乳制空冷到室溫，再經(jīng)過熱處理工藝后，即得。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種聚變堆用可低溫生成α-Al 203阻氫滲透層的鋼基結(jié)構(gòu)材料，其特征在于:所述的熱處理工藝具體為:1000-1100°C固溶0.4-0.6h，淬火，740-750°C下保溫2h，回火。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種聚變堆用可低溫生成α-Al2O3阻氫滲透層的鋼基結(jié)構(gòu)材料。將鋼材料原位低溫生長α-Al2O3層概念引入到聚變堆包層結(jié)構(gòu)材料的研發(fā)領(lǐng)域，在保證良好高溫力學(xué)性能及抗輻照性能的基礎(chǔ)上，犧牲掉部分低活化特性，在鐵素體馬氏體鋼中引入1%-4.5%的鋁，并可控制鋼中的鉻含量在熱氧化過程中促進α-Al2O3形核，從而在低溫條件下獲得致密且具有極好阻氫滲透效果的α-Al2O3氧化層，在阻氫層受到長期中子輻照、冷卻劑或液態(tài)氚增殖劑腐蝕導(dǎo)致阻氫效果變差后，可以通過再次熱氧化達到自修復(fù)，從而可以保證在材料長期服役后，仍能保證足夠的阻氫滲透效率。
【IPC分類】C21D8/00, C21D1/18, C22C33/04, C22C38/28
【公開號】CN105154775
【申請?zhí)枴緾N201510440491
【發(fā)明人】羅廣南, 徐玉平, 趙四祥, 周海山, 李小椿, 劉鳳, 安仲慶, 盧燾
【申請人】中國科學(xué)院等離子體物理研究所
【公開日】2015年12月16日
【申請日】2015年7月24日