[發明專利]鐵素體基ODS鋼在超臨界水服役條件中的應用

有效

• 申請號: 201811044082.4
• 申請日: 2018-09-07
• 公開（公告）號: CN110885954B
• 公開（公告）日: 2021-03-30
• 發明（設計）人: 余黎明;任健;劉永長;李會軍;馬宗青
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: C22C38/22
• 分類號: C22C38/22;C22C38/06;C22C33/02;C22C32/00;C21D8/00;C21D1/26
• 代理公司: 天津創智天誠知識產權代理事務所(普通合伙) 12214
• 代理人: 王秀奎

本發明公開一種超臨界水服役條件鐵素體基ODS鋼及其制備方法，通過合金熔煉將鋁元素通過霧化制粉的方式添加到預合金粉末當中，在隨后的機械合金化和熱等靜壓燒結過程中，鋁元素均勻分布在16Cr?ODS鋼基體當中，在超臨界水腐蝕環境下，在ODS鋼表面形成了致密的富Al和Cr元素的氧化膜，有效的組織了樣品的進一步的氧化，提高了其在超臨界水中的服役壽命。

技術領域

本發明屬于鐵素體基氧化物彌散強化鋼及其制備技術領域，更加具體地說，涉及一種在超臨界水中具有良好耐腐蝕性能的鐵素體基氧化物彌散強化鋼及其制備方法，以及在超臨界水反應釜中長時間腐蝕后其氧化層結構的表征和應用。

背景技術

超臨界水堆是六種第四代反應堆中唯一一個以輕水作為反應堆冷卻劑的概念堆型，相對于當前的水冷堆，超臨界水堆具有更高的熱效率、更簡化的系統結構，更高的安全性及更好的經濟性等多方面優勢。然而因為超臨界水可以同氧氣以任意的比例互溶，它是一種具有高溶解性質的非極性氣體，且有較高的活性，這種氣體會對堆內材料造成極強的腐蝕作用。因此對在其中服役的包殼材料要求具有較高的耐腐蝕性能。鐵素體基氧化物彌散強化(Oxide Dispersion-Strengthened,ODS)鋼，作為第四代核反應堆候選結構材料之一，其基體中通過機械合金化摻雜了細小且彌散分布的納米氧化物顆粒(一般為氧化釔Y₂O₃)，這些顆粒在ODS鋼成型和服役過程中能夠作為第二相粒子釘扎位錯及晶界的移動，大大提高了了材料的高溫力學性能。此外，這些氧化物顆粒能夠作為活性位置很好的由于彌補輻射造成的點缺陷及誘捕氦原子，提高了材料的抗輻照性能。為了滿足在鐵素體基ODS鋼超臨界水堆中的服役條件，提高其在超臨界水堆中的耐腐蝕性能，需要通過合理的成分設計及成型過程控制，達到理想的服役效果。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術服的不足，提供一種超臨界水服役條件鐵素體基ODS鋼及其制備方法，通過合理的預合金粉末成分設計，配合機械合金化和熱等靜壓燒結的成型方法，制備出具有良好耐腐蝕性能的鐵素體基ODS鋼，能夠同時滿足力學性能和在超臨界水堆中的服役條件。

本發明的技術目的通過下述技術方案予以實現。

一種超臨界水服役條件鐵素體基ODS鋼及其制備方法，按照下述步驟進行制備：

步驟1，將預合金粉末與納米級氧化釔(Y₂O₃)按照(99.5—99.65)：(0.35—0.5)的質量比進行混合，采用球磨機中進行機械球磨并以惰性保護氣體提供氛圍，預合金粉末按照質量百分比具有以下組分組成：Cr 14—18％，Al 2—4％，W 1—2％，其余為Fe。

納米級氧化釔為20～50nm；預合金粉末為30—50um。

在步驟1中，預合金粉末為Fe-16Cr-3Al-1.5W。

在步驟1中，惰性保護氣體為氮氣、氦氣或者氬氣。

在步驟1中，在球磨機中球料質量比為(10—15)：1，球磨轉速為200—300r/min，球磨時間為20—40h。

步驟2，將步驟1混合的粉末封入不銹鋼包套中，隨后將不銹鋼包套放入熱等靜壓爐體，在450—500℃抽氣至包套內達到真空狀態，隨后在惰性保護氣氛下自室溫20—25攝氏度升溫至1100—1200℃，升溫速率為10—20℃/min，在1100—1200℃，100—200MPa的壓力條件下燒結1—5h，隨爐冷卻至室溫20—25攝氏度，得到密度達到99.5％以上的ODS鋼胚體；

在步驟2中，真空狀態為0.001—0.005Pa，優選0.001—0.003Pa。

在步驟2中，惰性保護氣氛為氮氣、氦氣或者氬氣。

在步驟2中，熱等靜壓燒結的溫度為1150—1200攝氏度，壓力為150—180MPa，燒結時間為3—5小時。