[发明专利]氧化物弥散强化低活化马氏体钢材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种适用于聚变堆的氧化物弥散强化低活化马氏体钢材料及其制备方法，其综合机械性能良好，特别是高温性能显著，同时可抗强中子辐照。另外也适应于在裂变堆中使用。

背景技术

聚变能是一种“清洁”核能，要求其使用的结构材料为低活化材料。目前国际上对聚变堆用结构材料的研究主要集中在低活化铁素铁/马氏体钢(RAFM钢)。其主要特征是以W、Ta、V和Mn取代常规铁素铁/马氏体钢中的Mo、Nb和Ni等元素，以保证其具有低活化特性。国际上普遍认为RAFM钢可以作为未来聚变堆包层的结构钢材料。但RAFM钢受限于自身特性——高温软化和高温蠕变的制约，其上限工作温度只有～550℃，制约了该材料在聚变堆的使用温度，且将直接影响聚变堆的发电效率。中国也开展了RAFM钢的研究，申请人研发了具有自主知识产权的中国低活化马氏体钢——CLAM钢。同时为提高其上限使用温度，也开展了一系列的研究工作。

氧化物弥散强化技术被广泛应用于提高材料高温性能，在传统材料领域取得了巨大的经济和社会效益。国内外研究表明：弥散分布的氧化物粒子还能与辐照产生的缺陷相互作用，在吸收间隙原子的同时还会吸收大量的空位，从而抑制辐照产生的空位浓度，最终抑制材料中辐照空洞的形成，提高材料的抗辐照性能。因此氧化物弥散强化技术也被应用于聚变堆研究领域，用以提高聚变堆结构钢材料的工作上限温度和抗辐照性能。氧化钇粒子硬度高，热稳定性好，通常被选为弥散强化粒子。

例如专利CN100357469C公布的氧化物弥散强化马氏体钢按质量分数表示，含C 0.05～0.25％，Cr 8.0～12.0％，W 0.1～4.0％，Ti 0.1～1.0％，Y₂O₃0.1～0.50％，过剩氧含量ExO满足关系：0.22×Ti(wt％)＜ExO＜0.46Ti(wt％)，余量为Fe和不可避免的杂质，其中Y₂O₃弥散分布在基体中。另外，专利CN100352965C公布的氧化物弥散强化马氏体钢仅在原有的氧化物弥散强化马氏体钢的基础上，调整了过剩氧含量，使得氧化物颗粒以高密度精细分散的残余α-晶粒比重增加。

按照这两种专利公布的方法制备出来的氧化物弥散强化马氏体钢均没有考虑到聚变堆使用环境对材料低活化特性的特殊要求。

发明内容

针对现有氧化物弥散强化马氏体钢不具备低活化特性的特点，通过严格控制易活化元素含量，提出一种氧化物弥散强化低活化马氏体钢材料及其制备方法。其最显著的特点是低活化，经中子辐照后的放射性水平在核反应堆退役后若干年内可降低至远程操作剂量率水平10mSv/h以下，同时抗辐照和高温性能好，满足聚变堆使用要求。另外，由于制备过程中采用CLAM钢粉末来替代元素粉末或合金粉，且严格控制O含量，制备出的ODS-CLAM钢晶粒尺寸～10μm，在保持良好的持久塑性和冲击韧性的同时，提高了蠕变强度极限和持久强度。

本发明的技术方案如下：

一种氧化物弥散强化低活化马氏体钢材料，其特征在以CLAM钢粉末为基体，以纳米氧化钇颗粒作为弥散强化相粒子，同时添加钛粉以提高纳米氧化钇粒子的分布均匀性和热稳定性，各相质量分数组成为：Y₂O₃0.20～0.50％，Ti 0.10～0.50％，余量为CLAM钢。

所述的氧化物弥散强化低活化马氏体钢材料，其特征在于各组分所占的质量分数分别为：Cr 8.5-9.5％，W1.3～1.7％，V 0.15～0.25％，Ta 0.12～0.18％，Mn0.40～0.50％，C 0.08～0.12％，Y₂O₃0.20～0.50％，Ti 0.10～0.50％，余量为Fe；对中子辐照后可产生长寿命放射性核素的杂质成分其严格控制要求为：N＜0.002％、Ni＜0.005％、Mo＜0.005％、Nb＜0.001％、Co＜0.005％、Cu＜0.005％，对其他杂质元素控制要求为：ExO＜0.01％、P＜0.005％、S＜0.005％、Al＜0.01％。

所述的氧化物弥散强化低活化马氏体钢材料，其特征在于CLAM钢粉末平均粒径20～100μm，氧化钇颗粒平均粒径为10～30nm，钛粉颗粒平均粒径为1～20μm。

所述的氧化物弥散强化低活化马氏体钢材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)、制备平均粒径为20～100μm的CLAM钢粉末；