[發明專利]納米結構氧化物彌散強化鋼的一種高效制備方法

有效

• 申請號: 201210513997.1
• 申請日: 2012-12-03
• 公開（公告）號: CN102994884A
• 公開（公告）日: 2013-03-27
• 發明（設計）人: 呂錚;劉春明;謝銳
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: C22C38/28
• 分類號: C22C38/28;C22C33/02
• 代理公司: 沈陽晨創科技專利代理有限責任公司 21001
• 代理人: 張晨

技術領域

本發明涉及第四代核反應堆（快堆）核心部件用耐高溫、高強度、抗輻照合金的制備技術，特別提供納米結構氧化物彌散強化鋼的一種高效制備方法。

背景技術

我國確定了從熱中子堆（壓水堆）到快中子堆（第四代核反應堆）再到聚變堆的“三步走”核電發展戰略。快堆通過快中子技術及相應的核燃料閉合循環可充分利用熱堆不能利用的、占鈾資源絕大部分的U-238，使鈾資源利用率提高60倍，核廢物的體積和毒性降低10倍，預計2030年代商業化運行，是國際“核能路線圖”的主要發展方向。我國在北京建立的實驗快堆已經通過科技部的技術鑒定，現正積極開展示范快堆和商用快堆的研發，逐步建立起我國的先進核能體系。

快堆燃料包殼是快堆中工況最苛刻的關鍵結構部件，其作用是防止裂變產物進入一次冷卻系統，是快堆第一道安全屏障。日本福島核電事故就是由于冷卻系統故障導致燃料包殼（鋯合金）破損所致。快堆燃料包殼的工作環境遠比現有熱中子堆苛刻：高溫、不斷變化的巨大應力、強烈的化學反應環境、長期中子輻照和高He量引起包殼材料一系列微觀結構和微觀化學的改變，導致材料的物理、化學和力學性能顯著惡化，因此快堆的發展對包殼性能提出極高的要求。納米結構氧化物彌散強化鋼具有優異的抗輻照和抗氦脆能力，優良的高溫強度和高溫蠕變強度，是快堆燃料包殼的領先候選材料。在納米結構氧化物彌散強化鋼中最早發展的是馬氏體鋼和鐵素體/馬氏體雙相鋼。制備過程中發生的馬氏體相變，可以減小材料制備過程中熱擠壓引起的各向異性；而鐵素體/馬氏體雙相鋼可以顯著提高材料的塑性變形能力，改善加工性能。納米結構氧化物彌散強化馬氏體鋼和鐵素體/馬氏體雙相鋼優異的抗輻照性能來自其特征性的微觀結構，特別是納米結構氧化物彌散強化析出相。由于納米結構析出相在1300℃以上仍保持穩定，因而賦予材料良好的高溫強度。但由于在750℃以上馬氏體會發生相轉變，因而納米結構氧化物彌散強化馬氏體鋼或鐵素體/馬氏體雙相鋼的工作溫度被限制在700℃以下。最新發展的納米結構氧化物彌散強化鐵素體鋼，由于不存在馬氏體相變問題，因而可以在更高的溫度下工作（理論上工作溫度≥1000℃），成為目前可用于四代堆（包括快堆和聚變堆）核心部件的工作溫度最高的抗輻照材料。同時由于納米結構氧化物彌散強化鐵素體鋼含有更多的Cr，大幅度提高了材料的抗腐蝕性能，成為備受矚目的新一代納米結構氧化物彌散強化鋼。

納米結構氧化物彌散強化鋼與傳統的氧化物彌散強化鋼完全不同，傳統的氧化物彌散強化鋼的強化相是直接添加的氧化物（如氧化釔，直徑通常在幾十個納米以上），雖然材料的強度和抗輻照抗氦脆性能有所改善但仍不能滿足使用要求。在長期的研發過程中人們逐漸認識到，為了滿足快堆核心部件對關鍵結構材料高溫蠕變強度和抗輻照、抗He脆的性能要求，強化析出相必需具有納米尺度（幾個納米），而只有通過相應合金元素的過飽和固溶和再析出過程，才能實現高度彌散分布的納米尺度強化析出相的形成，由此發展出納米結構氧化物彌散強化鋼，其特征性的超高密度彌散分布的（密度可達10²³—10²⁴/m³,比普通氧化物彌散強化鋼高出3—4個數量級）、納米尺度的（2-5nm）、非平衡非化學比的富Y-Ti-O強化析出相，是俘獲輻照引起的點缺陷（空位和間隙原子）和核反應生成的He的數量巨大、高度彌散分布的位點，使點缺陷和He分別以極其微細的點缺陷團和He泡形式均勻分布在材料基體中，防止形成粗大的空位孔洞和大He泡，從而有效降低輻照腫脹和He脆，避免晶界上生成大孔洞大He泡引起的材料蠕變強度的降低和材料脆化；此外，超高密度的彌散強化相及析出相優異的高溫穩定性形成對位錯和晶界的有效釘扎，顯著提高材料的強度和高溫蠕變強度。