[發明專利]高溫用耐液態金屬腐蝕馬氏體結構材料及制備方法

有效

• 申請號: 201210589995.0
• 申請日: 2012-12-28
• 公開（公告）號: CN103898411A
• 公開（公告）日: 2014-07-02
• 發明（設計）人: 周強國;嚴偉;王威;單以銀;王志光;楊柯
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: C22C38/22
• 分類號: C22C38/22;C22C38/26;C22C33/04;C21D8/00
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 許宗富;周秀梅

技術領域

本發明屬于高溫用馬氏體結構材料領域，具體涉及一種高溫下具有良好蠕變性能、抗氧化性能、耐液態金屬腐蝕性能的馬氏體結構材料及其制備方法，特別涉及一種高溫用耐液態金屬腐蝕馬氏體結構材料及制備方法，該結構材料主要是應用于核能領域的新型結構材料。

背景技術

隨著核電技術、原子能技術等重要工業的發展，液態金屬因其良好的導熱性能而被用作核反應堆冷卻劑，如快中子堆、未來核聚變第一壁包層以及加速器驅動嬗變系統等。液態鉛鉍共晶合金由于其具有低熔點（125℃）、高沸點（1670℃）、良好的中子學特性以及優良的抗輻照損傷能力和導熱性能，不僅是國際上先進核反應系統設計的首選冷卻劑，而且被建議作為散裂中子源的靶材。但是液態鉛鉍的使用對與之接觸的結構材料將產生嚴重的腐蝕。因此其結構材料需要具有良好的綜合性能即優良的高溫性能和優良的抗氧化、耐液態金屬腐蝕性能。

目前，在液態鉛鉍冷卻的核反應系統中，有若干種候選先進結構材料，如T91、HT9、316L以及EP823等，其中最為突出的為美國的T91和俄羅斯的EP823。T91是為更高蒸汽參數發電機組設計研發的高溫部件耐熱鋼，其熱強性好、蠕變持久強度性能優異，但是由于鉻含量為9%，在液態金屬中大量的腐蝕實驗表明，T91產生嚴重的氧化腐蝕，不能滿足高溫下的抗液態金屬腐蝕性能的要求。EP823是俄羅斯開發專用于重金屬反應堆的結構材料，其抗液態金屬腐蝕性能優異，但是其鉻當量偏高，為馬氏體與10%的δ鐵素體雙相組織，其沖擊韌性差，蠕變持久性能低，不能滿足高溫條件下抗蠕變性能的要求。因此核聚變、先進核裂變堆等未來核能系統關鍵部位的材料問題成為國際上的難題，國際上的核大國均在探索研究同時具有良好高溫蠕變性能、抗輻照和抗液態金屬腐蝕性能的結構材料。

發明內容

本發明的目的在于提供一種綜合性能優良的耐高溫耐液態金屬腐蝕馬氏體結構材料，同時該材料還具有優良高溫蠕變性能。

本發明的設計思想為：在國外馬氏體結構材料的基礎之上，通過新的成分設計和大量的實驗，提出了一種具有優良耐液態金屬腐蝕性能的馬氏體結構材料，通過設計與優化成分，調整C和Mn含量，使鋼中δ鐵素體含量低于5%，獲得高溫回火馬氏體組織，保證鋼的良好韌性和高溫蠕變性能。

通過添加較高含量的鉻和硅，生成致密的富鉻和硅的氧化層，保證鋼的抗氧化性能和耐液態金屬腐蝕性能。

該結構鋼微觀組織為馬氏體組織，馬氏體組織具有良好的強度與韌塑性匹配，并且在高溫下具備有良好的蠕變性能。

以上成分設計是材料具備良好的綜合性能的基礎，即良好的高溫性能，如高的常規力學性能和蠕變性能、良好的抗氧化和耐液態金屬腐蝕性能。

本發明的技術方案是：

一種高溫用耐液態金屬腐蝕馬氏體結構材料，其化學成份（重量百分比）為：C：0.10~0.35%，Cr：10.0~12.0%，W：1.0~2.0%，Mn：≤1.0%，Si：1.0~2.0%，Ta+Nb≤0.45%（Ta和Nb的含量不同時為0），V：≤0.3％，余量為鐵。

所述馬氏體結構材料中：P＜0.007wt.％，S＜0.006wt.％，Cu＜0.01wt.％，Ti<0.010wt.％，Al<0.010wt.％，Co<0.005wt.%。

所述馬氏體結構材料組織中δ鐵素體含量低于5%，其在飽和氧濃度的液態金屬腐蝕環境下生成富鉻和硅的致密氧化層。

上述馬氏體結構材料的制備方法，包括如下步驟：

（1）按所述比例將各化學成分混合，經過冶煉和澆注獲得耐熱鋼鋼錠；

（2）將獲得的鋼錠在奧氏體單相區鍛造：鍛造溫度1100~1200℃，鍛比為6~8，鍛后空冷至室溫；

（3）鍛造后的鋼錠進行控制軋制：首先在再結晶區初軋：初軋溫度為1050~1200℃；然后在部分再結晶區待溫；最后在未再結晶區終軋：終軋溫度為850～900℃；軋制每道次壓下量控制為20~25%，總壓下量控制為80~90%，軋后空冷。

（4）控制軋制后的熱處理工藝：首先在1030~1100℃保溫30~60min后空冷，然后在750~780℃保溫90~120min后空冷。

本發明中元素含量范圍說明如下：