一种氧化物弥散强化低活化钢及其制备方法技术

本发明专利技术的目的在于提供一种适用于聚变堆的氧化物弥散强化低活化钢及其制备方法，其特征为，该低活化钢的合金元素所占总质量的百分比为：基体为Fe，0.08％≤C≤0.15％，8.0％≤Cr≤10.0％，1.1％≤W≤1.55％，0.1％≤V≤0.3％，0.03％≤Ta≤0.2％，0.1≤Mn≤0.6％，0.05％≤Y2O3≤0.5％，以及少量制造过程中不可避免混入的杂质，严格控制经中子辐照后能产生放射性核素的易活化元素含量和杂质元素含量：N<0.010％，Al<0.010％，Ni<0.005％，Mo<0.005％，Nb<0.010％，Cu<0.010％，P<0.005％，S<0.005％。该氧化物弥散强化低活化钢的显微组织均匀，力学性能优异。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于抗辐照金属材料领域，具体涉及一种用于聚变堆的氧化物弥散强化低活化钢，可抗强中子辐照，具有优良的力学性能。
技术介绍
随着世界能源危机的加剧，清洁能源将变成一种重要的战略发展资源。其中，核能发电过程中能够实现零污染排放，并且核燃料的能量密度较化石燃料高几百万倍，因此核电将会为未来商业电站带来巨额利润。未来商用聚变裂变反应堆结构材料的服役环境严苛恶劣，这就对核反应堆结构材料提出更高的性能要求。低活化铁素体马氏体钢具有低活化性能，高强度，良好的焊接制造性能和组织稳定性，因而成为未来聚变堆的重要结构候选材料。然而，低活化铁素体马氏体钢适用温度范围为350-550℃；当服役温度超过550℃时，低活化铁素体马氏体钢的组织迅速恶化，各项力学性能均有所下降。此外，尽管低活化铁素体马氏体钢具有低活化特性，但在高剂量中子辐照下，钢中少量合金元素发生(n,α)反应，产生氦原子并逐渐聚集形成氦泡，从而使得低活化铁素体马氏体钢韧性降低。上述低活化铁素体马氏体钢的弱点将限制未来聚变堆的发电效率，这表明提高低活化铁素体马氏体钢的抗辐照性能和适用温度范围变得更加重要。如若聚变堆结构材料的使用温度能够提高100℃，那么聚变堆的发电效率将提高5％，这将对商用聚变核反应堆的经济效益产生巨大影响。为了进一步提高聚变反应堆结构材料的抗辐照性能和高温力学性能，通常采用粉末冶金方法制备氧化物弥散强化(ODS)低活化钢。这种氧化<br>物弥散强化钢的适用温度范围可达250-650℃，抗辐照肿胀能力较强。对于冶炼方法制备的低活化钢和粉末冶金方法制备的氧化物弥散强化低活化钢而言，后者最大的优点是高温力学性能和稳定性能较好。在高温下，惰性Y2O3颗粒不会随着温度的升高而粗化或熔解，并且即使长时在高温交变应力环境下服役时，惰性Y2O3颗粒仍然能够稳定的存在于基体中并且能够钉扎位错，阻碍位错的滑移，强化合金，从而提高材料的高温力学性能和高温稳定性。鉴于上述氧化物弥散强化低活化钢的优点，目前人们对于ODS低活化钢的研究愈加感兴趣。但是氧化物弥散强化低活化钢的制备是一个国际难题。一方面是因为氧化物弥散强化低活化钢无法通过正常的合金冶炼方法得到，另一方面是因为粉末冶金方法制备氧化物弥散强化钢的工艺复杂，成本较高，且难以制备大型结构件。若在冶炼过程中直接添加纯稀土金属Y，由于金属元素Y的化学性质很活泼，会与氧气或是其他金属元素结合形成夹杂物或是变成炉渣；而若直接添加Y2O3氧化物颗粒，Y2O3颗粒比重较小，多数Y2O3颗粒会浮在表面与炉渣混在一起，少数Y2O3颗粒在基体中也会发生偏聚。稀土金属Y和Y2O3氧化物颗粒的这些特点使得氧化物弥散强化低活化钢的制备变得愈加困难。目前，欧美以及日本等国很多研究团队采用将各种纯金属粉末进行机械合金化方法制备氧化物弥散强化低活化钢，但是这种制备方法对纯金属粉末的纯度要求很高，杂质含量很难控制。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种适用于聚变堆的氧化物弥散强化低活化钢及其制备方法，所述氧化物弥散强化低活化马氏体钢的制备过程中严格控制氧含量和杂质元素含量，本专利技术的特点在于冶炼超纯净母合金，统一控制杂质元素含量，并且采用粉末包套抽气，热等静压固化成型，热轧技术提高组织的致密度，进而获得组织均匀、氧化物颗粒弥散分布的组织状态，最终使得本专利技术所述氧化物弥散强化钢不仅具备优异的力学性能，还具备低活化性能，良好的抗辐照肿胀能力。在现有技术中，专利文献1(申请号201010513441.3)提供了与本专利技术相近的氧化物弥散强化合金的制备方法，但是两者合金体系不同(专利文献1中合金体系为钴基超合金，本专利技术中合金体系为低活化钢)，工艺流程和参数不同。专利文献1中未提到本专利技术中的特征，即对粉末包套进行真空加热抽气和热轧处理，进一步提高氧化物弥散强化钢的致密度，从而提高其力学性能。同时，专利文献2(申请号200810021329.0)提到了与本专利技术相似的合金体系，但是专利文献2未提到本专利技术中的特征，即母合金冶炼技术、母合金粉末雾化技术以及粉末包套抽气技术要求，此外，在合金成分上存在一定的差异，本专利技术所述的氧化物弥散强化合金中未添加Ti元素。本专利技术提供的氧化物弥散强化低活化钢的显微组织均匀，力学性能优异。本专利技术在专利文献1所述的钴基超合金成分的基础上，添加Ta、V等元素以及纳米氧化钇Y2O3颗粒来实现低活化特性；并采用Ta、V微合金化处理，提高其高温力学性能和高温组织稳定性；本专利技术在专利文献1、2所述的氧化物弥散强化合金制备方法的基础上，添加了Fe-C-Cr-W-V-Ta-Mn母合金雾化技术要求，以便严格控制雾化粉末的粒径和成分；添加了粉末包套抽气和热等静压固化成型后热轧处理，进一步提高氧化弥散强化低活化钢的致密度，从而达到提高其力学性能的目的。本专利技术通过如下技术方案实现：本专利技术具体提供了一种氧化物弥散强化低活化钢，其特征为，该低活化钢的合金元素所占总质量的百分比为：基体为Fe，0.08％≤C≤0.15％，8.0％≤Cr≤10.0％，1.1％≤W≤1.55％，0.1％≤V≤0.3％，0.03％≤Ta≤0.2％，0.1≤Mn≤0.6％，0.05％≤Y2O3≤0.5％，以及少量制造过程中不可避免混入的杂质，严格控制经中子辐照后能产生放射性核素的易活化元素含量和杂质元素含量：N<0.010％，Al<0.010％，Ni<0.005％，Mo<0.005％，Nb<0.010％，Cu<0.010％；P<0.005％，S<0.005％。本专利技术对聚变堆用结构材料的机械性能和低活化特性等方面的考虑，所述的氧化物弥散强化低活化钢中的各元素的含量和作用也不相同。C元素可与Cr、V、Ta等合金元素形成M23C6型碳化物或MX型碳氮化物，产生析出强化，使氧化物弥散强化低活化钢获得良好高温强度。Cr元素是氧化物弥散强化低活化钢中提高抗氧化性能的主添加合金元素，高温条件下空气腐蚀时，表面能生成致密Cr2O3氧化膜。W元素能够抑制碳化物的粗化，提高氧化物弥散强化低活化钢的高温蠕变性能，获得优异的高温力学性能。V元素具有强烈的固碳作用，减缓碳化物的粗化，此外V在基体中生成纳米级碳氮化物，可有效控制位错运动，提高氧化物弥散强化低活化钢的高温蠕变性能。Ta元素能与碳、氮结合生成MX型纳米级碳氮化物，能有效的钉扎位错。纳米级Y2O3颗粒是人为加入的惰性质点，当氧化物弥<本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氧化物弥散强化低活化钢，其特征为该低活化钢的合金元素所占总质量的百分比为：基体为Fe，0.08％≤C≤0.15％，8.0％≤Cr≤10.0％，1.1％≤W≤1.55％，0.1％≤V≤0.3％，0.03％≤Ta≤0.2％，0.1≤Mn≤0.6％，0.05％≤Y2O3≤0.5％，N<0.010％，Al<0.010％，Ni<0.005％，Mo<0.005％，Nb<0.010％，Cu<0.010％，P<0.005％，S<0.005％，和制造过程中不可避免的杂质。

【技术特征摘要】
1.一种氧化物弥散强化低活化钢，其特征为该低活化钢的合金元素所
占总质量的百分比为：基体为Fe，0.08％≤C≤0.15％，8.0％≤Cr≤10.0％，
1.1％≤W≤1.55％，0.1％≤V≤0.3％，0.03％≤Ta≤0.2％，0.1≤Mn≤0.6％，
0.05％≤Y2O3≤0.5％，N<0.010％，Al<0.010％，Ni<0.005％，Mo<0.005％，
Nb<0.010％，Cu<0.010％，P<0.005％，S<0.005％，和制造过程中不可避免
的杂质。
2.一种按照权利要求1所述氧化物弥散强化低活化钢的制备方法，其
特征在于，所述氧化物弥散强化低活化钢的制备过程为：
Fe-C-Cr-W-V-Ta-Mn母合金冶炼，粉末雾化，母合金和Y2O3纳米颗粒混合
粉末的高能球磨，粉末包套抽气，固化成型，热轧，热处理，最终获得所
需的组织。
3.按照权利要求2所述氧化物弥散强化低活化钢的制备方法，其特征
在于，合金粉末的雾化工艺参数为：粒度<50μm，雾化气体压力>3.5Mpa，
过热度>200℃，保护性气体气氛。
4.按照权利要求2所述氧化物弥散强化低活化钢的制备方法，其特征
在于，母合金和Y2O3纳米颗粒混合粉末的高能球磨工艺参数为：球磨介质
为Φ6和Φ10混合硬质钢球，球磨气氛为99.99％氩气，球料质量比为
(8～10):1，球磨时间40-70h，转速为350-500r/min。
5.按照权利要求2所述氧化物弥散强化低活化钢的制备方法，其特征
在于，所述粉末包套抽气的工艺参数为：真空度不低于10-1Pa，温度400-550
℃，时间为4-5h。
6.按照权利要求2所述氧化物弥散强化低活化钢的制备方法，其特征
在于，粉末包套的固化成型采用热等静压固化成型工艺：压力120-150MPa，
温度1050-1200℃，保温保压时间3-5h。
7.按照权利要求2所...

【专利技术属性】
技术研发人员：单以银，胡雪，黄礼新，严伟，王开阳，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21