一种具有优异热加工性的核屏蔽用富钆铁镍基合金材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种具有优异热加工性的核屏蔽用富钆铁镍基合金材料，其主要成分按照如下质量百分比(％)组成：C≤0.03，Cr：15.0～25.0，Gd：0.5～5.0，Ni:20.0～45.0，且满足0.40≤Ni/Fe质量比≤1.8，其余部分为铁和不可避免的杂质。经配料和真空感应熔炼工艺得到合金熔体；经浇铸成型，再经热锻、热轧、冷轧和退火处理等工艺，最终制得一种具有优异热加工性的核屏蔽用富钆铁镍基合金材料棒材或板材或管材。本发明专利技术富钆铁镍基合金材料具有强度高、成本低，耐腐蚀和加工成型性优良等优点。耐腐蚀和加工成型性优良等优点。耐腐蚀和加工成型性优良等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种具有优异热加工性的核屏蔽用富钆铁镍基合金材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种铁镍基合金材料及制备方法，特别是涉及一种核屏蔽用富钆铁镍基合金材料及制备方法，应用于核功能钢铁合金材料


技术介绍

[0002]核能作为与火电、水电并称的三大主要电力能源供应支柱之一，在全世界范围内得到了广泛利用。在核反应堆堆芯，当易裂变同位素的浓度降到无法维持既定功率时，堆芯中的燃料变成乏燃料需要卸出。随着大部分的乏燃料因为工作年限到期被核电站卸出，在堆贮存水池容量日近饱和，因而乏燃料的去向处理问题成为了全球的难题。核反应堆卸出的乏燃料具有极强的放射性，伴有一定的中子发射率，并伴随放出热量。根据核燃料闭路循环方式，乏燃料组件从反应堆卸出后，一般在乏燃料水池贮存一定时间后外运至离堆贮存设施贮存，或直接运往后处理厂处理、处置。通常每台百万千瓦级核电机组每年可卸出25吨乏燃料，全球累积的乏燃料规模巨大。另一方面，随着小型移动核反应堆的发展，对中子屏蔽材料提出了更高的要求。用于核屏蔽的材料除了具有优异的屏蔽功能性以外，还需要优异的室温力学性能甚至是高温力学性能，以可以作为结构材料使用，这样的功能结构一体化材料才能满足日益发展的核工业的需求。目前广泛使用的用作反应堆乏燃料贮运用的是硼钢，近年已能连铸生产质量分数为0.6％B和1.0％B的不锈钢，其强度高、耐蚀性优良、吸收中子能力良好。但是，硼在不锈钢中的溶解度低，过量的硼加入会析出硼化物(Fe,Cr)2B，导致热延性大大降低，而且工业化制备出更高硼含量的硼钢是非常困难的。B4C/Al中子吸收材料存在工艺复杂、B4C与Al严重的界面反应、耐腐蚀、抗辐照能力、以及使用过程中的老化等问题。此外，还有一些聚合物基复合材料用于中子屏蔽，但是这些材料同样存在老化、分布不均匀等问题，并且很难在高温下使用，这些都限制了中子吸收材料的运用和发展。因此，开发钢铁基材料仍然在核工业领域具有广阔的应用前景。
[0003]近年来，由于钆(Gd)元素具有较大的等效中子吸收截面，可达36300靶之髙，每个原子约4600靶，具有较好的热稳定性、热中子辐射稳定，得到了许多研究学者的关注。M.Copeland和H.Kato研究了富钆的304L合金的耐腐蚀性能和力学性能，美国Lehigh大学研究了不同Gd含量的316L不锈钢的耐腐蚀性能。然而在富钆的304Gd和富钆的316Gd等铁基奥氏体不锈钢合金，由于钆不会固溶于基体，而是生成了低熔点化合物(Fe,Cr,Ni)3Gd，其熔点在1060℃左右，这导致材料很难进行热加工，影响材料的热加工性能和力学性能。此外，由于低熔点富Gd析出相的存在，这导致了材料不具备优异的焊接性能，因此很难做成满足核屏蔽需求的大型构件。美国爱达荷州国家实验室联合Lehigh University开发的富钆的HastelloyC
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4(00Cr16Ni66Mo16Ti+1.58Gd)、HastelloyC
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22(00Cr21Ni57Mo13W3+1.98Gd)、Alloy59(00Cr23Ni59Mo16+1.82Gd)等富Gd镍基合金。在这些合金中，Gd在基体中形成了高熔点化合物Ni5Gd，其熔点在1260℃左右，这对其热加工非常有利，但是这些Ni基合金Mo含量很高，成本也较高，这也限制了其大规模应用。
[0004]因此，如何利用Gd优异的热中子吸收性能制备出富钆的钢铁基合金，同时使合金材料析出相具有高的熔点和尽可能地节约成本，这是十分有意义的。核电工业迫切需要一种生产工艺简单，易加工，成本低廉，塑韧性好的结构功能一体化的热中子屏蔽材料。

技术实现思路

[0005]为了解决现有技术问题，本专利技术的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种具有优异热加工性的核屏蔽用富钆铁镍基合金材料及其制备方法。核辐射屏蔽材料的主要作用是吸收或减弱中子和γ射线，对于中子，由于经过压力壳和密封仓后，大部分中子已被慢化为热中子或超热中子，此类中子需要热中子吸收截面较大的材料进行有效吸收而不致于溢出。因此，本专利技术开发出一种低成本、易加工可焊接、辐照无肿胀富钆Fe
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Ni基新合金，避免304Gd和316Gd等不锈钢出现热加工困难和富Gd镍基合金高成本的问题，具有实质性的意义。
[0006]为达到上述目的，本专利技术创造采用如下专利技术构思：
[0007]中子屏蔽需用有较大中子俘获截面元素的材料，钆元素的中子等效吸收截面最大，可达36300靶之髙，每个原子约4600靶，具有较好的热稳定性、热中子辐射稳定，钆化合物不像碳化硼那样产生有害的副产品氘。钆无毒性，制造过程无污染，钆元素吸收中子后不会造成材料肿胀。本专利技术通过大量试验研究发现，在FeCrNi合金中，通过调控Ni/Fe的比例可以改变富Gd析出相形成的类型，即需要在合金中只生成高熔点的(Ni,Cr,Fe)5Gd，而不生成低熔点的(Fe,Cr,Ni)3Gd。在铁镍基合金真空感应熔炼过程中，加入合适比例的钆、铬、钼，并且控制Ni/Fe的比例即可制备得到耐腐蚀性能优良、热加工性能优异的富Gd铁镍基合金材料，该材料主要由奥氏体基体和沿奥氏体晶界分布的(Ni,Cr,Fe)5Gd金属间化合物组成。相比现有技术，本专利技术通过调控镍铁的原料配比，减少Ni和Mo的用量，适当提高铁的含量，可以提供新型的低钼、超低钼或者无钼的富钆铁镍基合金材料，更有利于形成复合相组织，并明显降低原材料成本，同时减少高成本金属原料的烧损，获得更高的材料性能价格比率，更适合工业生产应用。
[0008]根据上述专利技术构思，本专利技术采用如下技术方案：
[0009]一种具有优异热加工性的核屏蔽用富钆铁镍基合金材料，其主要成分按照如下质量百分比(％)组成：C≤0.03，Cr：15.0～25.0，Gd：0.5～5.0，Ni:20.0～45.0，且满足0.40≤Ni/Fe质量比≤1.8，其余部分为铁和不可避免的杂质。
[0010]作为本专利技术优选的技术方案，富钆铁镍基合金材料其成分还含有Mo元素，核屏蔽用富钆铁镍基合金材料的主要成分按照如下质量百分比(％)组成：C:0.013～0.028，Cr：15.0～25.0，Gd：0.5～5.0，Ni:25.0～45.0，Mo≤8.0，其余部分为铁和不可避免的杂质。
[0011]作为本专利技术更加优选的技术方案，富钆铁镍基合金材料主要成分按照如下质量百分比(％)组成：C:0.013～0.028，Cr：15.0～25.0，Gd：0.5～5.0，Ni:25.0～45.0，Mo：0
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5.0，其余部分为铁和不可避免的杂质。
[0012]作为本专利技术优选的技术方案，富钆铁镍基合金组织中主要由奥氏体和高熔点第二相(Ni,Cr,Fe)5Gd金属间化合物组成；富钆铁镍基合金中高熔点第二相(Ni,Cr,Fe)5Gd在基体中沿奥氏体晶界分布，奥氏体晶粒的长度尺寸不大于150μm。
[0013]作为本专利技术优选的技术方案，富钆铁镍基合金材料室温拉伸断裂强度不低于
350Mpa，断裂延伸率不低本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有优异热加工性的核屏蔽用富钆铁镍基合金材料，其特征在于，其主要成分按照如下质量百分比(％)组成：C≤0.03，Cr：15.0～25.0，Gd：0.5～5.0，Ni:20.0～45.0，且满足0.40≤Ni/Fe质量比≤1.8，其余部分为铁和不可避免的杂质。2.根据权利要求1所述具有优异热加工性的核屏蔽用富钆铁镍基合金材料，其特征在于，其成分还含有Mo元素，核屏蔽用富钆铁镍基合金材料的主要成分按照如下质量百分比(％)组成：C:0.013～0.028，Cr：15.0～25.0，Gd：0.5～5.0，Ni:25.0～45.0，Mo≤8.0，其余部分为铁和不可避免的杂质。3.根据权利要求2所述具有优异热加工性的核屏蔽用富钆铁镍基合金材料，其特征在于，主要成分按照如下质量百分比(％)组成：C:0.013～0.028，Cr：15.0～25.0，Gd：0.5～5.0，Ni:25.0～45.0，Mo：0
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5.0，其余部分为铁和不可避免的杂质。4.根据权利要求1所述具有优异热加工性的核屏蔽用富钆铁镍基合金材料，其特征在于，富钆铁镍基合金组织中主要由奥氏体和高熔点第二相(Ni,Cr,Fe)5Gd金属间化合物组成；富钆铁镍基合金中高熔点第二相(Ni,Cr,Fe)5Gd在基体中沿奥氏体晶界分布，奥氏体晶粒的长度尺寸不大于150μm。5.根据权利要求1所述具有优异热加工性的核屏蔽用富钆铁镍基合金材料，其特征在于，其室温拉伸断裂强度不低于350Mpa，断裂延伸率不低于35.0％。6.根据权利要求1所述具有优异热加工性的核屏蔽用富钆铁镍基合金材料，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖学山，王春东，潘杰，李钧，梅其良，王梦琪，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：