[發明專利]一種氧化物彌散強化低活化鋼及其制備方法

有效

• 申請號: 201410251099.2
• 申請日: 2014-06-06
• 公開（公告）號: CN105274445B
• 公開（公告）日: 2017-06-13
• 發明（設計）人: 單以銀;胡雪;黃禮新;嚴偉;王開陽
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: C22C38/48
• 分類號: C22C38/48;C22C33/02;C21D8/00
• 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

本發明屬于抗輻照金屬材料領域，具體涉及一種用于聚變堆的氧化物彌散強化低活化鋼，可抗強中子輻照，具有優良的力學性能。

背景技術

隨著世界能源危機的加劇，清潔能源將變成一種重要的戰略發展資源。其中，核能發電過程中能夠實現零污染排放，并且核燃料的能量密度較化石燃料高幾百萬倍，因此核電將會為未來商業電站帶來巨額利潤。未來商用聚變裂變反應堆結構材料的服役環境嚴苛惡劣，這就對核反應堆結構材料提出更高的性能要求。低活化鐵素體馬氏體鋼具有低活化性能，高強度，良好的焊接制造性能和組織穩定性，因而成為未來聚變堆的重要結構候選材料。然而，低活化鐵素體馬氏體鋼適用溫度范圍為350-550℃；當服役溫度超過550℃時，低活化鐵素體馬氏體鋼的組織迅速惡化，各項力學性能均有所下降。此外，盡管低活化鐵素體馬氏體鋼具有低活化特性，但在高劑量中子輻照下，鋼中少量合金元素發生(n,α)反應，產生氦原子并逐漸聚集形成氦泡，從而使得低活化鐵素體馬氏體鋼韌性降低。上述低活化鐵素體馬氏體鋼的弱點將限制未來聚變堆的發電效率，這表明提高低活化鐵素體馬氏體鋼的抗輻照性能和適用溫度范圍變得更加重要。如若聚變堆結構材料的使用溫度能夠提高100℃，那么聚變堆的發電效率將提高5％，這將對商用聚變核反應堆的經濟效益產生巨大影響。

為了進一步提高聚變反應堆結構材料的抗輻照性能和高溫力學性能，通常采用粉末冶金方法制備氧化物彌散強化(ODS)低活化鋼。這種氧化物彌散強化鋼的適用溫度范圍可達250-650℃，抗輻照腫脹能力較強。對于冶煉方法制備的低活化鋼和粉末冶金方法制備的氧化物彌散強化低活化鋼而言，后者最大的優點是高溫力學性能和穩定性能較好。在高溫下，惰性Y₂O₃顆粒不會隨著溫度的升高而粗化或熔解，并且即使長時在高溫交變應力環境下服役時，惰性Y₂O₃顆粒仍然能夠穩定的存在于基體中并且能夠釘扎位錯，阻礙位錯的滑移，強化合金，從而提高材料的高溫力學性能和高溫穩定性。鑒于上述氧化物彌散強化低活化鋼的優點，目前人們對于ODS低活化鋼的研究愈加感興趣。

但是氧化物彌散強化低活化鋼的制備是一個國際難題。一方面是因為氧化物彌散強化低活化鋼無法通過正常的合金冶煉方法得到，另一方面是因為粉末冶金方法制備氧化物彌散強化鋼的工藝復雜，成本較高，且難以制備大型結構件。若在冶煉過程中直接添加純稀土金屬Y，由于金屬元素Y的化學性質很活潑，會與氧氣或是其他金屬元素結合形成夾雜物或是變成爐渣；而若直接添加Y₂O₃氧化物顆粒，Y₂O₃顆粒比重較小，多數Y₂O₃顆粒會浮在表面與爐渣混在一起，少數Y₂O₃顆粒在基體中也會發生偏聚。稀土金屬Y和Y₂O₃氧化物顆粒的這些特點使得氧化物彌散強化低活化鋼的制備變得愈加困難。目前，歐美以及日本等國很多研究團隊采用將各種純金屬粉末進行機械合金化方法制備氧化物彌散強化低活化鋼，但是這種制備方法對純金屬粉末的純度要求很高，雜質含量很難控制。

發明內容

本發明的目的在于提供一種適用于聚變堆的氧化物彌散強化低活化鋼及其制備方法，所述氧化物彌散強化低活化馬氏體鋼的制備過程中嚴格控制氧含量和雜質元素含量，本發明的特點在于冶煉超純凈母合金，統一控制雜質元素含量，并且采用粉末包套抽氣，熱等靜壓固化成型，熱軋技術提高組織的致密度，進而獲得組織均勻、氧化物顆粒彌散分布的組織狀態，最終使得本發明所述氧化物彌散強化鋼不僅具備優異的力學性能，還具備低活化性能，良好的抗輻照腫脹能力。在現有技術中，專利文獻1(申請號201010513441.3)提供了與本發明相近的氧化物彌散強化合金的制備方法，但是兩者合金體系不同(專利文獻1中合金體系為鈷基超合金，本發明中合金體系為低活化鋼)，工藝流程和參數不同。專利文獻1中未提到本發明中的特征，即對粉末包套進行真空加熱抽氣和熱軋處理，進一步提高氧化物彌散強化鋼的致密度，從而提高其力學性能。同時，專利文獻2(申請號200810021329.0)提到了與本發明相似的合金體系，但是專利文獻2未提到本發明中的特征，即母合金冶煉技術、母合金粉末霧化技術以及粉末包套抽氣技術要求，此外，在合金成分上存在一定的差異，本發明所述的氧化物彌散強化合金中未添加Ti元素。