[发明专利]一种低活化核聚变用钢及其制备方法

说明书

 

技术领域

本发明属于金属材料领域，涉及核电用钢及其制备方法，提供了一种低活化核聚变用钢及其制备方法。

背景技术

能源是社会经济发展的物质基础，随着社会的发展和人类文明的进步，人类对能源的需求也越来越大。传统的煤炭和石油等化石能源，由于其形成周期很长以及储量有限，已经满足不了人类对能源不断增长的需求。核能在经过半个多世纪的研究后，现在已经大规模的应用于发电，对缓解局部地区能源危机起到了一定的作用。目前的核反应堆都是裂变反应堆，虽然在技术上不存在太大的问题，但是重元素的裂变，将给人类留下较多的放射性废物；而且裂变反应堆采用铀等作为核燃料，由于铀在自然界的储量非常有限，在经过一段时间的开采后会枯竭，到那个时候同样要面对能源危机的现实。

核聚变反应堆是解决未来能源问题的一种非常有效的方法，但是，核聚变反应堆的内部环境对所使用材料的要求非常苛刻，必须具有耐高温、抗辐照、耐腐蚀等性能，同时还要有较高的力学性能。

发明内容

本发明的目的是设计一种成本低、工艺简单、具有高强度和塑性的低活化核聚变用钢，并适用于大规模生产。

一种低活化核聚变用钢，化学成分质量百分比如下：

C 0.05~0.1；Si 0.2~0.25；Mn 0.4~0.8；P<0.008；S<0.002；N 0.01~0.04；Cr 8.5~9.5；Ti 0.01~0.02；V 0.1~0.3；Zr 0.04~0.06；W 1.1~2.5；余量为Fe和微量杂质。

生产低活化核聚变用钢的制备方法，包括如下步骤：

1)      按上述成分冶炼，之后锻打成80×80×80mm的方坯。

2)      钢坯加热至1100～1250℃之间，保温1～2小时。

3)      奥氏体再结晶区轧制：轧制温度保证在950～1200℃之间，道次变形量>30%。

4)      奥氏体未再结晶区轧制：轧制温度保证在900～950℃之间，总变形量>40%。

5)      冷却制度：轧制完成后喷水冷却至500～600℃的范围内，冷却速度在10～30℃/s，之后空冷至室温。

6)      热处理制度：将控轧控冷得到的钢加热到980℃保温0.5～1小时，然后淬火至室温，冷却速度在20～30℃/s范围内；之后将淬火钢加热到760℃回火，保温1～2小时，然后空冷至室温。

本发明的低活化核聚变用钢的主要合金元素的作用机理如下：

本发明中的C含量为0.05~0.1%，本身有固溶强化作用，另外主要是形成碳化物，以提高合金的高温强度，同时提高合金的硬度。随着钢中碳含量增加，屈服强度和抗拉强度升高，但塑性和冲击韧性降低，当碳含量超过0.23%时，钢的焊接性能变坏，因此用于焊接的低合金结构钢，碳含量一般不超过0.20%。为了使低活化核聚变用钢获得更好的焊接性能，需降低钢中的碳含量。碳含量的降低所带来的钢的强度的下降，则需用其它方法来弥补。 

本发明的Mn含量为0.4~0.8%，由于本发明中的碳含量较低，所以通过提高锰含量来保证高强度，随着锰含量的增加，强度增加。但锰含量又不能过高，因为锰含量太高会影响钢的焊接性能。 

本发明中的P<0.008%，S<0.002%，含量极低，是因为P和S在钢中都是影响性能的有害元素。P会导致铸坯成分偏析，影响钢板组织的均匀性；S在钢中以硫化物的形态存在，对钢板的冲击韧性是十分不利的，并造成各向异性和增大氢致开裂敏感性。为了保证低活化核聚变用钢能具有较高的纯净度和均匀性，从而得到良好的高强韧性，必须降低P和S的含量。

本发明的Cr含量为8.5~9.5%，铬是中等碳化物形成元素，加热时溶入奥氏体的Cr能提高钢的淬透性。另外，铬含量是强烈影响钢的韧脆转变温度的主要因素，Cr含量为8.5~9.5%能获得较低的DBTT温度。

本发明的V含量为0.1~0.3%，钒是强碳化物形成元素，形成的VC质点稳定性好，质点细小，不易长大，且弥散分布，对晶界起很强的钉扎作用，能有效提高钢的热强性，特别是在500℃以上的高温，V能明显提高合金的高温强度。

本发明的Zr含量为0.04~0.06%，锆是强碳化物形成元素，它在钢中的作用与铌、钛、钒相似。加入少量的锆元素有脱气和净化晶粒作用，有利于改善钢的性能。