[发明专利]一种制造聚变堆用控氮型低活性铁素体马氏体钢的方法

说明书

技术领域

本发明属于马氏体钢的制备方法，具体涉及一种制造聚变堆用控氮型低活性铁素体马氏体钢的方法。

背景技术

产氚实验包层模块(TBM)是国际热核试验反应堆(ITER)国际合作组织各成员国自行研究的主要内容，计划要在ITER运行后期放入，放在装置中中子流强最高、热流密度最大的赤道面位置，来模拟和测试与未来聚变发电堆相关的材料和技术。作为包层第一壁的结构材料必须满足在聚变堆中恶劣的环境下对中子辐照破坏具有足够的抵抗能力，能承受高温及温度变化带来的热应力，与其它模块和等离子体材料以及冷却剂、增殖剂等具有相容性，并能保持整体机械力学性能和尺寸的稳定性，还要考虑到原材料充足性、技术成熟性及经济性等诸多问题。

现有技术中有部分特殊钢种用于裂变反应堆，如P/T91钢等，这些钢种的主要合金元素有Nb、Mo、Co、Ni等，虽然现有技术中的钢种在热物理性能、机械性能等方面基本能满足要求，但是会生成长久放射性产物。对聚变堆结构材料而言，在聚变反应产生的高能中子的辐照下不生成长久放射性产物是对其最基本的要求。低活性材料的含义就是经过若干年辐照后其放射性主要来自于短寿命或中等寿命放射性核素，这样，材料自停堆起放置100年后其放射性水平能降低80％以上使之满足手工处置的条件。因此现有技术中的合金材料无法同时满足聚变堆材料的低活性特性要求。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种满足聚变堆材料的低活性特性要求的低活性铁素体/马氏体钢。

本发明是这样实现的：一种制造聚变堆用控氮型低活性铁素体马氏体钢的方法，其特征在于：包括下述步骤：

步骤一：制备铁-钨母合金

Fe-W母合金中W的质量百分比小于等于20％；

步骤二：按照预先设计的比例添加配料，配料包括铬、锰、钒、碳、钽采用真空感应熔炼的方法进行合金的一次熔炼，所述配料均选用高纯材料；

步骤三：真空自耗重熔

步骤四：热加工。

如上所述的一种制造聚变堆用控氮型低活性铁素体马氏体钢的方法，其中，所述的步骤二包括下述步骤：

步骤2.1：在真空感应炉中依次添加预先设计比例的纯铁、铁-钨母合金、纯钒、纯铬、碳；

步骤2.2：开炉抽真空，真空度达到5Pa以内时，开始送电，升温至1500～1550℃，原材料开始熔化，8～12分钟后，逐渐升高熔炼功率使温度达到1600～1650℃保持3～5分钟，待原材料完全溶化后，降低熔炼温度至1500～1550℃，进行8～12分钟的化清和精炼，

步骤2.2：通入氮气，通入氮气直到真空室的压力达到0.015MPa～0.025MPa，保持3分钟，

步骤2.3：加钽；

步骤2.4：加锰；

通入氩气，至0.08MPa后加入纯锰块，进行短时搅拌，

步骤2.5：生成钢锭；

保持炉内压力为0.08MPa，将熔融的合金液浇注到氧化铝坩埚中，停电；待炉内冷却后拿出钢锭。

如上所述的一种制造聚变堆用控氮型低活性铁素体马氏体钢的方法，其中，所述的步骤2.4中所述的短时搅拌时间以不超过3分钟为准。

如上所述的一种制造聚变堆用控氮型低活性铁素体马氏体钢的方法，其中，对部分元素超量添加，超量添加的元素和添加量如下：碳超量添加18％，锰超量添加20％，钽超量添加10％，铬超量添加1％，钒超量添加1％。

如上所述的一种制造聚变堆用控氮型低活性铁素体马氏体钢的方法，其中，所述的步骤三包括：将真空感应熔炼得到的钢锭锻造成棒状，作为自耗电极，水冷坩埚为正极，二者均置于熔铸室内的真空状态下，对电极供以低电压大电流直流电，二者之间产生电弧放电，自耗电极逐渐被熔入坩埚内，形成新锭。

如上所述的一种制造聚变堆用控氮型低活性铁素体马氏体钢的方法，其中，所述的步骤四包括：对步骤三得到的钢锭进行锻造开坯，然后进行热轧成板，对步骤三得到的钢锭的热加工初始温度为1050℃～1150℃，终了温度为850℃～950℃，对经热加工得到的板材进行热处理，具体热处理工艺为：980℃固溶处理45min后空冷，随后在740℃进行90min的回火处理。

本发明的优点是：用本申请所列组份含量所制造的低活性铁素体/马氏体钢在抗拉强度、屈服强度、延伸率方面完全满足要求，同时满足聚变堆的低活性要求。

进一步的，当氮的含量控制在0.03％～0.045％范围内时，各项参数更好。