[發明專利]一種與Pb和Pb-Bi具有良好相容性的耐輻射馬氏體耐熱鋼

有效

• 申請號: 201210465947.0
• 申請日: 2012-11-16
• 公開（公告）號: CN102943209A
• 公開（公告）日: 2013-02-27
• 發明（設計）人: 葉中飛;王培;李殿中;李依依
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: C22C38/26
• 分類號: C22C38/26;C22C38/34;C22C38/38
• 代理公司: 沈陽優普達知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 21234
• 代理人: 張志偉

技術領域

本發明屬于耐熱合金的技術領域，特別是適合在高溫、強輻照和液態Pb-Bi腐蝕環境下服役的具有優良抵抗鉛腐蝕能力、耐輻照能力以及高溫持久和蠕變能力的新型馬氏體耐熱鋼，它是一種與Pb和Pb-Bi具有良好相容性的耐輻射馬氏體耐熱鋼，主要用于制造加速器驅動次臨界系統（ADS）和四代核電鉛冷快堆的結構部件。

背景技術

能源是經濟發展的燃料，是經濟發展的牽引力，經濟的快速發展意味著能源需求的快速提高，但現存的化石燃料很難滿足經濟高速發展的能源需求；而核電作為一種清潔高效的能源，必將在未來經濟發展中長期扮演重要的角色。但目前世界上運行的二代半和三代核電站面臨著兩個亟待解決的問題：運行過程中產生大量核廢料、核燃料利用率低下。為了解決這兩個問題，眾多科研工作者提出了ADS系統和四代核電快堆的概念。

ADS系統的一個特點是，它使用Pb或Pb-Bi作為靶材和冷卻劑，這就導致結構材料將不可避免地要在高溫條件下和Pb或Pb-Bi液態金屬相接觸，這將引起一系列的問題：①由于Ni、Cr、Mn等合金元素在Pb或Pb-Bi合金中的溶解度較大，在結構材料與液態金屬接觸時會造成結構的破壞，即狹義的液態金屬腐蝕（LMC），見圖1（a）；②液態金屬脆化（LMB），金屬材料與液態金屬相接觸時由于Rebinder效應導致金屬材料的韌性大幅下降，見圖1（b）；③由于Pb、Pb-Bi的密度大，在流動過程中對結構表面的沖蝕；④Pb、Pb-Bi合金滲入(穿透)鋼結構，特別是沿晶界等高能界面的滲入，見圖1（c）。以上四種破壞形式，我們統稱為鉛腐蝕行為。而改善鉛腐蝕的方法是在結構表面形成致密氧化膜，隔離基體與Pb或Pb-Bi腐蝕介質見圖1（d）。圖1所示為幾種典型的鉛腐蝕以及氧化膜保護的照片。

ADS系統和現行的核電站相比另外的兩個特點就是，輻射強度更強（接近聚變堆）、運行溫度更高（550-650℃）。這就對其結構材料提出了三方面的要求：a）優良的高溫蠕變和持久性能；b）優異的抗輻射性能；c）抵抗鉛腐蝕的能力。

鑒于上述的要求，目前提出的備選結構材料主要有奧氏體不銹鋼、Ni基高溫合金及9-12Cr馬氏體耐熱鋼等，而相比之下9-12Cr馬氏體耐熱鋼由于價格低廉、熱膨脹系數更低、熱導率更高而更加受到各國科研工作者的青睞，具有代表性的鋼種有P91、P92、EP823、F82H、HT9、Eurofer97等。但這些現存的馬氏體耐熱鋼均不能夠同時滿足耐輻射和抗鉛腐蝕的要求，例如EP823的抗鉛腐蝕能力很好，卻不能夠達到強輻射條件下的低活化性，而F82H雖然在輻照條件下能夠保持低活性，其抗鉛腐蝕的能力卻不盡人意。

發明內容

本發明的目的在于提供一種與Pb和Pb-Bi具有良好相容性的耐輻射馬氏體耐熱鋼，在傳統9-12Cr馬氏體耐熱鋼的基礎上進行成分調整和優化，解決現有馬氏體耐熱鋼無法同時滿足耐高溫、抗輻射和耐鉛腐蝕的問題。

本發明采用的技術方案是：

一種與Pb和Pb-Bi具有良好相容性的耐輻射馬氏體耐熱鋼，其化學成分及各元素的重量百分比為：C：0.05-0.2%；Cr：9.0-12.0%；Si：1.0-3.0%；Mn：0.3-3.0%；W：1.0-3.0%；V：0.1-0.4%；Ta：0.03-0.3%；N：0.03-0.15%；Al≤0.05%；Ti≤0.05%；Fe：余量。

所述與Pb和Pb-Bi具有良好相容性的耐輻射馬氏體耐熱鋼，該材料在高溫Pb或Pb-Bi溶液中服役時表面形成富Si的氧化膜，使其與Pb和Pb-Bi具有良好相容性。

所述與Pb和Pb-Bi具有良好相容性的耐輻射馬氏體耐熱鋼，合理平衡奧氏體穩定元素C、Mn、N和鐵素體穩定元素Cr、Si、W、V、Ta，保證以確保鑄態下材料不含δ鐵素體，提高材料常規力學性能和耐熱性能。

所述與Pb和Pb-Bi具有良好相容性的耐輻射馬氏體耐熱鋼，為保證新型馬氏體耐熱鋼具有優良的沖擊性能，必須注意C+N含量和Ta+V含量的匹配，保證避免析出溫度過高的碳氮化物的存在。

所述與Pb和Pb-Bi具有良好相容性的耐輻射馬氏體耐熱鋼，N含量在0.03-0.15％，替代部分C，使材料中不含δ鐵素體，同時避免晶界Cr₂₃C₆析出，從而提高材料在Pb和Pb-Bi環境中的相容性。

所述與Pb和Pb-Bi具有良好相容性的耐輻射馬氏體耐熱鋼的熱處理工藝，包括如下步驟：

（1）1000-1100℃保溫2-3h，空冷進行正火；