[发明专利]一种耐液态铅铋腐蚀的含铝奥氏体不锈钢及其制备方法

说明书

针对含铝奥氏体不锈钢在含氧液态铅铋环境中表面Alsubgt;2/subgt;Osubgt;3/subgt;膜的快速形成与奥氏体基体的长期稳定性存在矛盾的问题，提供一种耐液态铅铋腐蚀含铝奥氏体不锈钢的成分设计及其制备方法。本发明提供的耐液态铅铋腐蚀的含铝奥氏体不锈钢，其特征在于该钢的化学成分按公式Crsubgt;eq/subgt;=Cr+1.5Si+0.5Nb+Mo+2.5Al和Nisubgt;eq/subgt;=Ni+0.5Mn+30C转化为铬当量Crsubgt;eq/subgt;和镍当量Nisubgt;eq/subgt;后满足Crsubgt;eq/subgt;17.8，1.08Crsubgt;eq/subgt;‑7.67Nisubgt;eq/subgt;1.08Crsubgt;eq/subgt;‑7.67+a,其中0a5。该钢是由本发明提供的方法制备的，该方法是将熔炼获得的由Fe、Ni、Cr、Al、Mn、Mo、Nb、C和Si元素组成的奥氏体不锈钢经铸造或锻造或热轧或冷轧或冷拉的板材或棒材，在温度高于1150℃下固溶处理至少1小时。经本发明制备的含铝奥氏体不锈钢具有优异的耐液态铅铋腐蚀能力和优异的奥氏体长期稳定性。

技术领域

本发明属于奥氏体不锈钢领域，具体涉及一种铅冷快堆用含铝奥氏体不锈钢及其制备方法。用该方法制备的含铝奥氏体不锈钢在550℃及以上含氧液态铅铋环境中表面能快速形成Al₂O₃膜从而具有优良的耐液态铅铋腐蚀性能。该含铝奥氏体不锈钢可应用于铅冷快堆领域。

背景技术

核能作为经济、高效、安全、绿色的清洁能源，是解决当前各国面临能源危机的重要手段。相对于商用轻水堆，铅冷快堆由于固有安全性高、可靠性好、产生核废料少和经济效益高等优势，是近年来重点研发的第四代先进核能系统之一。要充分发挥铅冷快堆的经济性优势就需要将铅冷快堆的工作温度提高至500℃及以上。然而，铅冷快堆的主要候选结构材料奥氏体不锈钢(316L、15-15Ti)在500℃以上存在严重的液态金属腐蚀问题，难以满足要求。例如，316L在氧浓度为10^-7wt.%、550℃的静态铅中腐蚀长达1年时间后，由于Ni在液态铅中的高溶解度，其铅渗透深度达到了300μm(Ejenstam et al. Journal of NuclearMaterials, 2015, 461,P164)。

为了提高材料在500℃以上的耐液态铅铋腐蚀能力，在材料表面制备Al₂O₃涂层是一种有效的解决方案。通过物理气相沉积(PVD)等方法在316L或15-15Ti奥氏体不锈钢表面制备Al₂O₃涂层能够有效提高材料的耐500-600℃液态铅铋腐蚀能力。然而，Al₂O₃涂层与基体材料的热膨胀系数存在较大差异，以及涂层在制备过程中易产生内应力、裂纹和气孔等缺陷，导致Al₂O₃涂层在热应力的作用下容易发生开裂和剥落。研究表明在316L表面采用高速热喷涂工艺制备厚度约为10μm的Al₂O₃涂层在550℃、氧浓度为3×10^-13wt.%的铅铋环境中以10^-4s^-1的应变速率进行拉伸试验时非常容易发生开裂和剥落(Chocholousek et al.Materials Science and Engineering, 2019, 461, 012028)。由于Al₂O₃涂层没有自修复能力，剥落后基体暴露在液态金属中导致严重的腐蚀破坏。