[发明专利]一种核聚变堆用大吨级高Ta低活化马氏体钢及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及核聚变堆用马氏体型耐热钢，尤其涉及一种用于核聚变堆的大吨级高Ta低活化马氏体结构钢材料及其制造。

背景技术

核聚变能是一种几乎用之不竭的永久性“安全”和“清洁”能源，是世界能源的未来，核聚变堆包层特别是氚增殖包层技术是聚变堆最终走向商业应用必须发展的核心科学技术问题之一。其中聚变堆包层是聚变能实现应用的核心关键技术之一，对聚变能商用化的成败起着决定作用，其主要功能是实现能量转换、氚增殖及包容等离子体等。核聚变堆的辐照环境比核裂变的辐照环境更为苛刻，高通量的聚变中子对材料更是一个巨大的挑战，特别是对聚变堆包层结构材料的挑战，该问题成为聚变堆实现最终商业应用的“瓶颈”问题之一，是目前世界上核聚变研究的一个主要领域。

核聚变堆包层结构材料需要具有较低的辐照肿胀和热膨胀系数、较高的热导率等优良的热物理、机械性能，因此目前普遍认为低活化的马氏体型耐热钢(RAFM钢)是聚变堆的首选结构材料。世界各国均在发展和研究各自的RAFM钢，如日本的F82H和JLF21，欧洲的EUROF-ER97以及美国的9Cr22WVTa等，各材料成分如表1所示。

作为核聚变堆结构材料，除考量常规的拉伸性能、冲击性能、断裂韧性、蠕变性能、疲劳性能等材料特性外，还需考虑辐照对机械性能的影响，主要是辐照脆化、辐照肿胀等特性的影响。辐照脆化特性一般用韧-脆转变温度(DBTT)的变化来表示，许多试验都表明：RAFM钢的DBTT变化与Cr、W、V、Ta、Mo、Nb和Ni等元素含量有关；辐照肿胀主要是由材料中(n，a)和(n，P)核反应生成的He、H和辐照缺陷积聚引起的，由于目前聚变仍处于研究阶段以及缺乏适当的聚变中子源，一般采用快中子堆、高注量率中子堆、加速器高加速器高能离子等辐照模拟方法和其他小型聚变中子源等手段进行探索和研究，其影响机理尚不太清楚。

目前，中国中科院等离子体物理研究所在与国内外10余家单位合作下，开展了中国低活化马氏体CLAM(China Low Activation Martensitic)钢的设计与研发工作。到目前为止，该CLAM钢进行了20余炉次的真空感应熔炼，开展了纯净化冶炼工艺探索，已经发展到数百公斤级的冶炼水平，主要设计成分含量基本达到了稳定可控水平，而且制造出了各种型材，但是冶炼公斤级别较低。国外，日本的F82H和欧洲的EUROF-ER97进行了吨级以上的熔炼，纯净化冶炼接近了低活化水平要求，并进行了较为全面的性能测试、加工技术研究以及辐照实验研究，但都未进行核聚变堆用高Ta低活化结构钢的大吨级工业化试制研究工作。

随着热核聚变技术的研究进展，核聚变试验包层模块(TBM)和试验堆的建设势在必行，迫切需求大吨级工业化的高Ta核聚变堆包层结构材料。

表1.几种典型的RAFM钢及其化学成分(单位：wt％)

发明内容

本发明的目的在于提供一种核聚变堆用大吨级高Ta低活化马氏体钢及其制造方法，采用真空感应冶炼和真空自耗冶炼技术研制出大吨级(4.5吨)超纯净高Ta低活化马氏体钢，其合金元素Ta的含量高，达到0.18％，甚至达到0.20％，其室温力学性能满足核聚变包层模块的使用要求，实现了CLAM钢的工业化试制。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

本发明通过选用优质的合金原料、采用砖制真空感应炉炉胆以控制Al、B等残余元素、采用真空感应冶炼和高真空(≤5μ)且电磁搅拌下在一定时间内分次加入Ta的方法控制Ta等成分的均匀性、在极低的真空条件(设定值为0Torr)下采用自耗重熔精炼工艺来控制其中气体和杂质元素的含量，最终获得核聚变堆用大吨级(4.5吨)超纯净高Ta低活化马氏体钢(属于1Cr9WVTa耐热钢)，实现了CLAM钢的工业化试制。

本发明首先提供了一种核聚变堆用大吨级高Ta低活化马氏体钢。

一种核聚变堆用大吨级高Ta低活化马氏体钢，其化学成分重量百分含量为：C0.06-0.14％，Mn0.20-0.80％，Si≤0.20％，S≤0.010％，P≤0.010％，Ni≤0.20％，Cr8.00-10.0％，W1.10-1.90％，V0.10-0.30％，Ta0.10-0.20％，Cu≤0.10％，Co≤0.01％，Mo≤0.01％，Nb≤0.01％，Al≤0.03％，B≤0.001％，Ag≤0.001％，Sn≤0.01％，As≤0.01％，Sb≤0.01％，N≤0.02％，O≤0.005％，其余为Fe和不可避免的杂质。