超临界流体气冷堆包壳用含Al奥氏体不锈钢及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种超临界流体气冷堆包壳用含Al型20Cr25NiNb奥氏体不锈钢及其制备方法，该种含Al奥氏体不锈钢包括以下质量百分数的成分：19～22％Cr，25～27％Ni，0.02～0.06％C，0.3～1.0％Nb，0.2～0.4％Si，1.8～2.5％Mo，2～4％Al，P≤0.008％，O≤0.003％，余量为Fe；优选成分添加0.005～0.008％B和0.16～0.27％V；通过添加Al来在氧化铬与金属基体之间生成氧化铝薄膜，提升不锈钢在高温超临界流体环境的耐腐蚀性能；Ni的质量百分数大于Cr的质量百分数，得到奥氏体FCC结构，极大提升了合金在高温超临界流体中的抗蠕变性能。温超临界流体中的抗蠕变性能。温超临界流体中的抗蠕变性能。

【技术实现步骤摘要】
超临界流体气冷堆包壳用含Al奥氏体不锈钢及其制备方法


[0001]本专利技术涉及铁基合金结构材料及特种合金材料
，具体涉及一种超临界流体气冷堆包壳用含Al奥氏体不锈钢及其制备方法。

技术介绍

[0002]目前国内核电机组普遍采用压水式反应堆，其热源温度难以再提高，即使是目前最先进的大型水冷堆，热效率也刚刚超过40％。采用超临界流体作为传热工质的“布雷顿循环”，通过将压缩机运行点和反应堆运行点分别设置在拟临界温度附近的大密度区和低密度区，可实现气冷堆在中等堆芯出口温度下达到较高传热效率，减小堆芯体积，因此基于超临界流体(二氧化碳等)作为传热工质的堆型设计，成为国内外先进反应堆研发的热点。
[0003]燃料包壳是反应堆的重要屏障，作用是防止裂变产物逸散、避免燃料受冷却剂腐蚀以及有效导出热能。超临界气冷式反应堆系统设计堆芯出口温度在600℃以上，已超过Zr合金的使用极限，必须考虑研发新型合金。
[0004]国内主研单位开展了用于先进气冷堆包壳的选材工作，现有的20Cr25NiNb材料在高温下析出强化相单一，导致其在650℃下强度仅有400MPa，高温蠕变性能也偏低。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种超临界流体气冷堆包壳用含Al奥氏体不锈钢，该不锈钢为20Cr25NiNb型，以解决现有20Cr25NiNb型在高温下蠕变性能较低的问题。
[0006]本专利技术提供一种超临界流体气冷堆包壳用含Al奥氏体不锈钢，包括以下质量百分数的成分：19～22％Cr，25～27％Ni，0.02～0.06％C，0.3～1.0％Nb，0.2～0.4％Si，1.8～2.5％Mo，2～4％Al，P≤0.008％，O≤0.003％，余量为Fe。
[0007]本专利技术的有益效果：本专利技术中Ni的质量百分数大于Cr的质量百分数，并且将Cr的含量控制在19～22％之间，Ni的质量百分数提高至25％以上，采用1150℃～1250℃下固溶处理并快速水冷，如相图分析所示(图1中左边和中间两幅图)，确保得到的不锈钢基体为奥氏体FCC结构，有效提高不锈钢的抗蠕变性能；当Cr含量达到23％，基体变为奥氏体FCC结构和铁素体BCC双相组织(图1右)。相图(图2)显示本专利技术成分范围内的合金在高温下(600～800℃)下析出多种第二相，可以起到很好的析出强化效果，使合金在600℃以上依然具有良好的力学性能。通过添加Al，在富铬氧化层与奥氏体基体之间形成一层致密的氧化铝膜，从而提高不锈钢在超临界气体(如超临界CO2)环境的耐腐蚀性能。
[0008]作为一种可能的实施方式，超临界流体气冷堆包壳用含Al奥氏体不锈钢包括以下质量百分数的成分：20％Cr，27％Ni，0.03％C，0.8％Nb，0.2％Si，2.5％Mo，3％Al，P≤0.008％，O≤0.003％，余量为Fe。
[0009]作为一种可能的实施方式，超临界流体气冷堆包壳用含Al奥氏体不锈钢包括以下质量百分数的成分：22％Cr，25％Ni，0.06％C，0.8％Nb，0.2％Si，2％Mo，3％Al，P≤0.008％，O≤0.003％，余量为Fe。相图计算(图1中和图2c)表明，1200℃下为全奥氏体组织
和微量NbC，600
‑
800℃(超临界流体气冷堆包壳的使用温度范围)下为奥氏体和第二相，而第二相的析出起到了很好的析出强化作用，使得合金具有更好的力学性能。
[0010]作为一种可能的优选方式，超临界流体气冷堆包壳用含Al奥氏体不锈钢包括以下质量百分数的成分：19～22％Cr，25～27％Ni，0.02～0.06％C，0.3～1.0％Nb，0.2～0.4％Si，1.8～2.5％Mo，2～4％Al，0.005～0.008％B，P≤0.008％，O≤0.003％，余量为Fe；通过添加B元素，可以抑制添加Mo元素引起的晶界处高温下Laves第二相粗化的问题，从而在一定程度上进一步提高了不锈钢的高温力学性能。
[0011]作为一种可能的优选方式，超临界流体气冷堆包壳用含Al奥氏体不锈钢包括以下质量百分数的成分：19～22％Cr，25～27％Ni，0.02～0.06％C，0.3～0.5％Nb，0.16～0.27％V，0.2～0.4％Si，1.8～2.5％Mo，2～4％Al，0.005～0.008％B，P≤0.008％，O≤0.003％，余量为Fe；V、Mo、Al以及B四种元素协同使用时：V和Nb一起促进MC相(M为Nb或V)析出；Mo有固溶强化的效果，同时600
‑
800℃下能析出Fe2Mo型Laves相；Al高温下促进NiAl强化相；B元素则抑制了晶界处析出相的粗化，从而起到晶界强化的效果。在满足相平衡的情况下促进性能良好相的析出，从而提高了不锈钢的高温力学性能和抗蠕变性能。
[0012]作为一种可能的优选方式，Nb和V的原子数量比为1:1。
[0013]本专利技术还公开了一种超临界流体气冷堆包壳用含Al奥氏体不锈钢的制备方法，包括以下步骤：
[0014]将各原料混合后熔炼成铸锭；
[0015]将所述铸锭在1100℃～1300℃下退火2～3小时，得到钢锭；
[0016]将所述钢锭在1180℃～1220℃下保温2～3小时后进行锻造，终锻温度为1050℃～1100℃，得到板材；
[0017]将所述板材在1150℃～1250℃下进行固溶处理0.5～2小时后水冷至室温；
[0018]将固溶处理得到的板材在600℃～800℃下进行时效处理500～1000小时后空冷。
[0019]本专利技术的有益效果：本专利技术通过熔炼、退火处理、锻造处理、固溶处理以及时效处理的配合，使得第二相均匀析出且弥散效果良好，从而提高不锈钢的力学性能及不锈钢组织的组织稳定性。
[0020]作为一种可能的实施方式，钢锭在进行锻造之前还包括除去钢锭表面的氧化皮。
[0021]作为一种可能的实施方式，板材在固溶处理之前还包括除去板材表面的氧化皮。
[0022]作为一种可能的实施方式，熔炼在真空熔炼炉内进行，熔炼炉内的真空度为1
×
10
‑3～1
×
10
‑2Pa。
附图说明
[0023]图1为本专利技术保护成分范围内的合金在1200℃下的热力学相图；
[0024]图2为本专利技术保护成分范围内的合金在600℃
‑
800℃间的热力学相图；
[0025]图3为实施例1制备得到的不锈钢的SEM扫描图；
[0026]图4为实施例2制备得到的不锈钢的SEM扫描图；
[0027]图5为实施例3制备得到的不锈钢的SEM扫描图；
[0028]图6为对比例1制备得到的不锈钢的SEM扫描图；
[0029]图7为实施例1制备得到的不锈钢其拉伸曲线；
[0030]图8为实施例2制备得到的不锈钢其拉伸曲线；
[0031]图9为实施例3制备得到的不锈钢其拉伸曲线；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超临界流体气冷堆包壳用含Al奥氏体不锈钢，其特征在于，包括以下质量百分数的成分：19～22％Cr，25～27％Ni，0.02～0.06％C，0.3～1.0％Nb，0.2～0.4％Si，1.8～2.5％Mo，2～4％Al，P≤0.008％，O≤0.003％，余量为Fe。2.根据权利要求1所述超临界流体气冷堆包壳用含Al奥氏体不锈钢，其特征在于，包括以下质量百分数的成分：20％Cr，27％Ni，0.03％C，0.8％Nb，0.2％Si，2.5％Mo，3％Al，P≤0.008％，O≤0.003％，余量为Fe。3.根据权利要求1所述超临界流体气冷堆包壳用含Al奥氏体不锈钢，其特征在于，包括以下质量百分数的成分：22％Cr，25％Ni，0.06％C，0.8％Nb，0.2％Si，2％Mo，3％Al，P≤0.008％，O≤0.003％，余量为Fe。4.根据权利要求1所述超临界流体气冷堆包壳用含Al奥氏体不锈钢，其特征在于，包括以下质量百分数的成分：19～22％Cr，25～27％Ni，0.02～0.06％C，0.3～1.0％Nb，0.2～0.4％Si，1.8～2.5％Mo，2～4％Al，0.005～0.008％B，P≤0.008％，O≤0.003％，余量为Fe。5.根据权利要求1所述超临界流体气冷堆包壳用含Al奥氏体不锈钢，其特征在于，包括以下质量百分数的成分：19～22％Cr，25～27％Ni，0.02～0.06...

【专利技术属性】
技术研发人员：舒茗，廖志海，孙永铎，魏光强，唐睿，马赵丹丹，黄赟浩，
申请(专利权)人：中国核动力研究设计院，
类型：发明
国别省市：