[发明专利]一种基于多因素耦合的低活化结构材料及其设计方法

说明书

本发明涉及一种基于多因素耦合的低活化结构材料及其设计方法，属于金属材料技术领域。本发明所述的结构材料兼具低活化、抗辐照、耐高温及抗腐蚀性能，满足聚变堆或其他快中子堆在苛刻的复杂服役环境中的要求。本发明所述的设计方法中，采用核设计优化与辐射安全评价软件系统SuperMC计算的方法筛选出低活化元素及其含量的控制范围，得到的结果准确可靠，减少实验成本和时间；该方法可根据具体服役环境对低活化结构材料性能的要求不同，设计出不同成分的材料，避免了“炒菜式”的材料设计方法所带来的成本上的浪费，节约时间和成本，自由灵活。

技术领域

本发明涉及一种低活化结构材料，特别涉及一种基于多因素耦合的低活化结构材料及其设计方法，属于金属材料技术领域。

背景技术

结构材料是铅基快中子堆和聚变堆走向工程应用的关键因素之一，但铅基快中子堆和聚变堆的运行环境复杂且恶劣，对结构材料提出了非常苛刻的性能要求：首先，要求材料在强中子辐照下具有较好的高温强度、抗辐照性能和高的热负载能力；其次，要求材料具有低活化特性，中子辐照后不易活化，残余放射性低，便于处置和再循环利用，以满足未来“清洁”核能的目标；此外，还要求材料与冷却剂、氚增殖剂以及中子倍增剂等具有很好的化学相容性。国际上普遍认为：先进核能系统的结构材料应具有抗辐照、耐高温、低活化和抗腐蚀的优良特性，如低活化铁素体/马氏体(RAFM)钢、钒合金及SiC_f/SiC复合材料。由于RAFM钢具有最为成熟的工业基础，因此被普遍认为是铅基快中子堆和聚变堆的首选结构材料。

1980年前后，美国、日本和欧洲启动了RAFM钢的研究，主要集中在美国的9Cr-2WVTa、日本的F82H和JLF-1以及欧洲的EUROFER。为了打破国外技术壁垒，研发具有中国自主知识产权的RAFM钢迫在眉睫。2001年起，在国家磁约束核聚变能发展研究专项、中国科学院战略先导专项、中国科学院知识创新工程和国家自然基金等项目的持续支持下，中国科学院核能安全技术研究所FDS团队与国内外多家单位合作，主持研发了中国低活化抗辐照结构钢CLAM(China Low Activation Martensitic)。

低活化结构材料的成分设计要以低活化、抗辐照、耐高温和抗腐蚀为目标。目前关于低活化结构材料(尤其是低活化铁素体/马氏体钢)的专利或是文献有很多，不同的低活化铁素体/马氏体钢的成分存在一定的差异性，没有统一的成分设计标准。已有的低活化铁素体/马氏体钢的成分设计大多以低活化为前提，通过成分优化或加工工艺改进材料的某单一性能，如抗高温氧化、耐液态金属腐蚀、提高高温机械性能等，而没有综合考虑材料的低活化、抗辐照、耐高温和抗腐蚀等特性。聚变堆或是铅基快中子堆的结构材料服役环境极为苛刻和复杂，单一性能的改进或提高，无法真正满足服役要求。此外，已有的低活化铁素体/马氏体钢的成分设计多为“炒菜式”设计方法，通过无数次的尝试以获得所需材料，这样极大的增加了成本，消耗了大量时间。

发明内容

针对现有低活化铁素体/马氏体钢的成分设计缺陷，本发明的目的之一在于提供一种基于多因素耦合的低活化结构材料，所述结构材料兼具低活化、抗辐照、耐高温以及抗腐蚀性能，满足聚变堆或其它快中子堆在苛刻和复杂服役环境中的要求；目的之二在于提供一种基于多因素耦合的低活化结构材料的设计方法，所述设计方法充分考虑聚变堆或其它快中子堆结构材料对低活化、耐腐蚀、抗辐照、耐高温等性能的要求，充分发挥各合金元素在中的作用，而且缩短材料的成分设计周期，降低时间成本。

本发明的目是通过以下技术方案实现的。

一种基于多因素耦合的低活化结构材料，以所述低活化结构材料的总质量为100％计，所述低活化结构材料的各组成成分及其质量分数如下：Cr 2～20％，W 0.1～4％，V 0.05～1％，Ta 0.05～1％，Mn≤1.00％，C≤0.2％，N≤0.08％，Si≤0.2％，Al≤0.1％，Ni≤0.05％，Nb≤0.01％，Co≤0.05％，Cu≤0.05％，Mo≤0.05％，P≤0.05％，S≤0.05％，O≤0.05％，其余为Fe。