[發明專利]一種提高低活化鐵素體/馬氏體鋼高溫強度和抗氧化性能的方法

有效

• 申請號: 201610133515.8
• 申請日: 2016-03-09
• 公開（公告）號: CN105734234B
• 公開（公告）日: 2017-12-05
• 發明（設計）人: 陳勝虎;戎利建;閆德勝;姜海昌;趙明久;王本賢;胡小鋒;宋元元;韓仲景
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: C21D8/00
• 分類號: 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

本發明涉及低活化鐵素體/馬氏體鋼制備技術領域，具體涉及一種提高低活化鐵素體/馬氏體鋼高溫強度和抗氧化性的方法。

背景技術

低活化鐵素體/馬氏體鋼(RAFM)具有低的熱膨脹系數、高的熱導率、良好的抗輻照性能和成熟的技術基礎等優點，被普遍認為是未來四代核反應堆和聚變堆的主要候選材料。該類鋼的主要合金成分是Fe(9～12wt.％)Cr，以低活性的W、V、Ta等元素來取代耐熱鋼中高活性的Mo、Nb、Ni等元素而發展形成。低活化鐵素體/馬氏體鋼的服役環境為高溫環境，溫度在300-600℃，要求材料具有良好的高溫強度和抗高溫氧化性能。

鐵素體/馬氏體鋼經淬火、回火常規熱處理后，碳化物主要在原奧晶界及馬氏體板條界析出，是鋼中的有效強化相，但高溫下界面上元素通過短路擴散使得碳化物易發生粗化，從而導致材料強度的降低。此外，鐵素體/馬氏體鋼中的Cr含量較低，高溫下形成氧化膜的致密性和黏附性較差，導致抗氧化性能較差，這直接影響材料的使用壽命和安全性。因此，如何提高鐵素體/馬氏體鋼的高溫強度和抗氧化性能是一個亟待解決的問題。

為解決上述問題，科研人員研發出多種方法，如利用機械熱處理方法改善碳化物的尺寸和分布，降低碳化物的粗化速率，提高材料的高溫強度；調整熱處理制度控制碳化物析出行為獲得細小的M₂₃C₆碳化物，提高材料的高溫強度；利用表面處理或制備涂層的方法來改善材料的抗氧化能力等。但是，依據上述方法無法同時兼顧到材料的高溫強度和抗氧化性能，迫切需要開發高溫強度和抗氧化性能更加優異的低活化鐵素體/馬氏體鋼。本發明通過劇烈塑性變形工藝和熱處理工藝來實現晶粒尺寸和碳化物的協同控制，同時提高低活化鐵素體/馬氏體鋼的高溫強度和抗氧化性能。

發明內容

為了解決現有低活化鐵素體/馬氏體鋼高溫強度和抗氧化性能不能兼顧的問題，本發明的目的是提供一種提高低活化鐵素體/馬氏體鋼高溫強度和抗高溫氧化性能的方法，該方法通過旋轉鍛壓變形和退火處理，實現晶粒尺寸和碳化物的協同控制，顯著提高低活化鐵素體/馬氏體鋼的高溫強度和抗氧化性能。

為了實現上述目的，本發明的技術方案如下：

一種提高低活化鐵素體/馬氏體鋼高溫強度和抗高溫氧化性能的方法，該方法是通過控制低活化鐵素體/馬氏體鋼中的晶粒尺寸、碳化物的尺寸和分布狀態，來提高材料的高溫強度和抗氧化性能，具體包括以下步驟：

1)熔煉及熱加工：采用真空感應爐熔煉低活化鐵素體/馬氏體鋼，嚴格控制雜質元素含量，將鑄錠在1100～1150℃保溫2～3h后進行鍛造，開坯鍛造溫度1100～1150℃，終鍛溫度900℃～950℃，獲得鍛板；

2)熱處理：將步驟1)所得鍛板在1000～1050℃保溫30～60min后水冷；然后在750±10℃保溫1～3h后空冷；

3)旋轉鍛壓變形：將步驟2)熱處理后的鍛板在精密旋鍛機上進行分道次旋轉鍛壓變形處理，其中，旋轉鍛壓變形的工藝參數為：變形溫度為室溫，單道次變形量為10％～20％(優選為15％)，累計變形量為85％～95％(優選90～95％)；

4)退火處理：將步驟3)變形后的合金在650～750℃(優選700℃)進行保溫10～30min(優選20min)，取出空冷至室溫。

上述步驟1)中，所述熔煉過程是將原材料按照低活化鐵素體/馬氏體鋼的化學成分進行配料，裝入CaO坩堝，采用真空感應熔煉鑄錠。

本發明具有如下有益效果：

1、碳化物是低活化鐵素體/馬氏體鋼中的有效強化相，但主要在原奧晶界及馬氏體板條界析出，短路擴散促使碳化物發生粗化而降低高溫強度。基于這方面的考慮，本發明通過劇烈塑性變形處理實現了低活化鐵素體/馬氏體鋼中碳化物尺寸與分布的調控，一方面，使碳化物原本沿界面分布形貌轉變為均勻分布形貌，另一方面，使原本棒狀形貌碳化物轉變為細小的球狀形貌碳化物。這種細小均勻分布的碳化物既具有彌散強化效果，又有較小的粗化速率，有利于合金高溫性能的提升。

2、本發明通過旋轉鍛壓變形和退火處理工藝，實現了晶粒尺寸的調控，有效細化了晶粒尺寸且提高晶粒尺寸穩定性。一般認為，細晶材料中存在大量的界面和晶格畸變，使其在熱力學上處于亞穩狀態，高溫下易發生晶粒長大。針對這一問題，本發明通過旋轉鍛壓變形與退火處理的協同控制，利用細小、彌散分布碳化物顆粒對晶界遷移的強烈阻礙作用可保證細晶結構良好的穩定性，細晶結構有利于表面氧化層的快速形成，提高材料的高溫氧化性能。