[发明专利]铁素体基ODS钢在超临界水服役条件中的应用

说明书

本发明公开一种超临界水服役条件铁素体基ODS钢及其制备方法，通过合金熔炼将铝元素通过雾化制粉的方式添加到预合金粉末当中，在随后的机械合金化和热等静压烧结过程中，铝元素均匀分布在16Cr‑ODS钢基体当中，在超临界水腐蚀环境下，在ODS钢表面形成了致密的富Al和Cr元素的氧化膜，有效的组织了样品的进一步的氧化，提高了其在超临界水中的服役寿命。

技术领域

本发明属于铁素体基氧化物弥散强化钢及其制备技术领域，更加具体地说，涉及一种在超临界水中具有良好耐腐蚀性能的铁素体基氧化物弥散强化钢及其制备方法，以及在超临界水反应釜中长时间腐蚀后其氧化层结构的表征和应用。

背景技术

超临界水堆是六种第四代反应堆中唯一一个以轻水作为反应堆冷却剂的概念堆型，相对于当前的水冷堆，超临界水堆具有更高的热效率、更简化的系统结构，更高的安全性及更好的经济性等多方面优势。然而因为超临界水可以同氧气以任意的比例互溶，它是一种具有高溶解性质的非极性气体，且有较高的活性，这种气体会对堆内材料造成极强的腐蚀作用。因此对在其中服役的包壳材料要求具有较高的耐腐蚀性能。铁素体基氧化物弥散强化(Oxide Dispersion-Strengthened,ODS)钢，作为第四代核反应堆候选结构材料之一，其基体中通过机械合金化掺杂了细小且弥散分布的纳米氧化物颗粒(一般为氧化钇Y₂O₃)，这些颗粒在ODS钢成型和服役过程中能够作为第二相粒子钉扎位错及晶界的移动，大大提高了了材料的高温力学性能。此外，这些氧化物颗粒能够作为活性位置很好的由于弥补辐射造成的点缺陷及诱捕氦原子，提高了材料的抗辐照性能。为了满足在铁素体基ODS钢超临界水堆中的服役条件，提高其在超临界水堆中的耐腐蚀性能，需要通过合理的成分设计及成型过程控制，达到理想的服役效果。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术服的不足，提供一种超临界水服役条件铁素体基ODS钢及其制备方法，通过合理的预合金粉末成分设计，配合机械合金化和热等静压烧结的成型方法，制备出具有良好耐腐蚀性能的铁素体基ODS钢，能够同时满足力学性能和在超临界水堆中的服役条件。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现。

一种超临界水服役条件铁素体基ODS钢及其制备方法，按照下述步骤进行制备：

步骤1，将预合金粉末与纳米级氧化钇(Y₂O₃)按照(99.5—99.65)：(0.35—0.5)的质量比进行混合，采用球磨机中进行机械球磨并以惰性保护气体提供氛围，预合金粉末按照质量百分比具有以下组分组成：Cr 14—18％，Al 2—4％，W 1—2％，其余为Fe。

纳米级氧化钇为20～50nm；预合金粉末为30—50um。

在步骤1中，预合金粉末为Fe-16Cr-3Al-1.5W。

在步骤1中，惰性保护气体为氮气、氦气或者氩气。

在步骤1中，在球磨机中球料质量比为(10—15)：1，球磨转速为200—300r/min，球磨时间为20—40h。

步骤2，将步骤1混合的粉末封入不锈钢包套中，随后将不锈钢包套放入热等静压炉体，在450—500℃抽气至包套内达到真空状态，随后在惰性保护气氛下自室温20—25摄氏度升温至1100—1200℃，升温速率为10—20℃/min，在1100—1200℃，100—200MPa的压力条件下烧结1—5h，随炉冷却至室温20—25摄氏度，得到密度达到99.5％以上的ODS钢胚体；

在步骤2中，真空状态为0.001—0.005Pa，优选0.001—0.003Pa。

在步骤2中，惰性保护气氛为氮气、氦气或者氩气。

在步骤2中，热等静压烧结的温度为1150—1200摄氏度，压力为150—180MPa，烧结时间为3—5小时。