[發明專利]一種Cr?Y?O納米團簇氧化物彌散強化鋼的制備方法

有效

• 申請號: 201410334753.6
• 申請日: 2014-07-11
• 公開（公告）號: CN105238986B
• 公開（公告）日: 2017-06-13
• 發明（設計）人: 單以銀;胡雪;黃禮新;嚴偉;王威;楊柯
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: C22C33/02
• 分類號: 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

本發明屬于抗輻照金屬材料制備領域，具體涉及一種用于聚變堆的氧化物彌散強化低活化鋼的制備方法，采用該制備方法可以獲得具備抗強中子輻照和優良力學性能的氧化物彌散強化鋼。

背景技術

隨著能源危機的加劇，發展核能成為未來新能源的主要趨勢。目前，核裂變反應堆已經能夠成功運轉，主要利用鈾原子的裂變能發電。在我國浙江和廣東兩省核電使用比例已達到13％。提煉和濃縮鈾工藝復雜，成本較高。相對而言，聚變反應堆所需的氘和氚燃料更易獲得，氘和氚可從海水中提煉獲得，且核燃料使用后產生的核廢料較少。盡管如此，核聚變能發電僅僅是在理論計算上能夠實現，實際還未得到應用。這是因為核聚變反應難以長時控制，聚變堆結構更為復雜，且聚變堆中結構材料的服役條件更為惡劣。例如，裂變堆中鈾原子裂變產生的中子能量約為1MeV，材料經受200dpa劑量的低能中子輻照下產生的輻照損傷約為0.1appm He/dpa和0.1appm H/dpa。與之相比，聚變堆中氚原子發生核聚變反應產生的中子能量高達14.1MeV。聚變堆中的第一壁結構材料和氚增殖覆蓋層在320～700℃高溫條件下服役，且服役過程中會受到劑量大于50dpa高能中子的輻照，產生的輻照損傷達到12appm He/dpa和45appm H/dpa。從聚變堆結構材料的嚴苛服役環境考慮，目前適用于核裂變堆的結構材料遠不能滿足未來聚變堆的使用要求，這要求未來聚變堆結構材料具備更加優異的機械性能、蠕變持久性能、耐高溫氧化性能和抗中子輻照性能。因此，開發適用于未來聚變堆的新型高性能抗輻照結構材料顯得愈加重要。

目前，以低活化鋼為基體，直接加入惰性氧化物納米顆粒，采用機械合金化方法制備氧化物彌散強化低活化鋼能夠提高材料的蠕變持久性能和抗中子輻照性能。一般而言，人為引入的納米級顆粒分為兩類。第一類是直接添加Y₂O₃納米惰性顆粒(20～30nm)。第二類是添加Ti和Y₂O₃，Ti和Y₂O₃在后期的高溫固化成型過程中發生反應生成尺寸更小的Y₂Ti₂O₇(<20nm)。這些惰性氧化物顆粒(Y₂O₃和Y₂Ti₂O₇)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，惰性氧化物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；同時，納米級氧化物顆粒能夠捕捉基體中的少量活化元素經中子輻照時產生的氦原子，阻止氦原子聚集成為氦泡。

但是，上述制備方法獲得的氧化物彌散強化鋼存在一個致命的弱點，即基體中生成額外氧化物，劣化材料性能。這是因為金屬粉末顆粒較小，表面活性較大，極易吸附氧氣，因此在制備過程中增氧是不可避免的，上述制備方法獲得的氧化物彌散強化鋼基體中的氧含量較高，較高的氧含量最終會導致鋼基體中生成有害氧化物Fe₂O₃、FeCr₂O₄等等，迫使鋼的高溫強度降低，材料的抗輻照性能惡化。這些制備過程中產生的額外氧化物是無法通過后期的熱處理工藝消除的。

發明內容

本發明的目的在于提供一種適用于未來聚變堆的Cr-Y-O納米團簇氧化物彌散強化低活化鋼的制備方法，該方法能有效降低氧化物彌散強化低活化馬氏體鋼的自由氧含量和雜質元素含量，獲得Cr-Y-O納米團簇彌散分布，顯微組織均勻，力學性能優異的氧化物彌散強化低活化鋼，進一步提高該氧化物彌散強化低活化鋼的高溫強度和抗中子輻照性能。