一种含钽铁素体耐热钢及其制造方法技术

一种含钽铁素体耐热钢，该钢材成分按重量比计包括：Cr：20.0%

【技术实现步骤摘要】
一种含钽铁素体耐热钢及其制造方法


[0001]本专利技术属于受控核聚变领域，具体涉及一种含钽铁素体耐热钢及其制造方法。

技术介绍

[0002]磁约束氘
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氚核聚变反应堆是实现核聚变能源开发利用的主流途径，其利用氢的同位素氘、氚作为聚变燃料，通过氘与氚的反应产生能量。
[0003]氘
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氚核聚变反应堆中，包层是生产作为燃料的氚以及将中子的动能转变为热能的核心部件，包层内设置有大量的流道用于冷却剂和液体增殖剂的流动。目前，包层的候选结构材料有低活化铁素体
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马氏体（RAFM）钢、钒合金、SiC/SiC复合材料，它们的使用温度分别是550℃、610℃、1400℃左右。
[0004]为了提高氘
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氚核聚变反应堆的发电效率，需要实现包层冷却剂的高温化。若将冷却剂氦气的出口温度提升至900℃，则发电效率可达50%。在现有的候选结构材料中，只有SiC/SiC复合材料满足包层冷却剂的高温化要求。但是，要使SiC/SiC复合材料作为包层的结构材料，在工程上是极大的挑战。
[0005]为此，本专利技术提供一种含钽铁素体耐热钢，其使用温度可达900℃，能满足包层冷却剂的高温化需求。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种含钽铁素体耐热钢，在其表面能原位形成致密的α
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氧化铝陶瓷阻氚层，并在900℃以下长期稳定服役。本专利技术还提供一种含钽铁素体耐热钢的制造方法。
[0007]根据本专利技术一个方面的实施例，提供一种含钽铁素体耐热钢，按重量比计，其成分包括：Cr：20.0%
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25.0%，Ta：1.2%
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3.8%，Al：2.5%
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6.5%，Y：0.03%
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0.15%，Ti：0.01%
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0.05%，C：0.05%
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0.07%，N<0.005%，余量为铁和不可避免的杂质。
[0008]该耐热钢严格控制C含量，并在合金中加入较多的Cr与Al元素，抑制800℃以上时铁素体向奥氏体的转变，防止加热与冷却过程中钢材基体发生固态相变。同时，该耐热钢中的Al元素在高温氧化条件下能够发生选择性氧化，原位生成α
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氧化铝阻氚层。Y是为了提高α
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Al2O3的附着力；Ta、Ti起强化作用，与C、N形成的细小碳氮化物将改善钢材的耐中子辐照性能；C、N是为了生成细小的碳氮化物以提高钢材的强度和耐中子辐照性能。本专利技术的含钽铁素体耐热钢，具有耐高温、耐腐蚀/氧化、抗中子辐照肿胀等特性，使用温度可达900℃，可用作氘
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氚核聚变反应堆包层的结构材料。
[0009]进一步地，在部分实施例中，该含钽铁素体耐热钢还包括Sn，按重量比计，Sn含量为0.05%
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0.5%。Sn元素的添加则能够提高钢材表面α
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氧化铝层的致密性，以改善钢材的高温氧化性能。
[0010]进一步地，在部分实施例中，Sn元素固溶于铁素体中。
[0011]进一步地，在部分实施例中，耐热钢基体为单一的铁素体。
[0012]进一步地，在部分实施例中，耐热钢的基体为等轴晶组织。耐热钢基体为铁素体，在高温下不发生固态相变，具有稳定的高温力学性能。
[0013]进一步地，在部分实施例中，所述含钽铁素体耐热钢在900℃
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1300℃的高温氧化性介质中，能够在表面原位生成致密的α
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氧化铝陶瓷层，所述氧化性介质包括氧气、水蒸气或空气。该α
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氧化铝层耐辐照，与基材具有良好的结合，不易发生剥离。
[0014]根据本专利技术另一个方面的实施例，提供一种含钽铁素体耐热钢的制造方法，用于制造前述任一实施例中的含钽铁素体耐热钢，该方法包括以下步骤：按照成分配比熔炼原料，浇注得到合金铸锭；将所述合金铸锭在1150℃
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1300℃下进行热锻，得到合金锻材；将所述合金锻材在1050℃
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1150℃下进行热轧，得到热轧件；将所述热轧件在1000℃
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1100℃下进行退火。
[0015]进一步地，在部分实施例中，在热轧后还包括冷轧步骤。冷轧加工使基体铁素体晶粒发生塑性变形，在后续退火处理时变形晶粒发生再结晶，以形成等轴晶组织。
[0016]进一步地，在部分实施例中，所述冷轧步骤中，冷轧加工的累计下压率为30
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80%。
附图说明
[0017]图1为一实施例中带有α
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氧化铝陶瓷层的耐热钢透射电镜照片。
[0018]上述附图的目的在于对本专利技术作出进一步的详细说明，以便本领域技术人员能够理解本专利技术的技术构思，而非旨在限制本专利技术。
具体实施方式
[0019]下面通过具体实施例对本专利技术作出进一步的详细说明。
[0020]本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本文的至少一个实施例中。在说明书的各个位置出现的该短语并不一定指代同一实施例，也并非限定为互斥的独立或备选的实施例。本领域技术人员应当能够理解，在不发生结构冲突的前提下本文中的实施例可以与其他实施例相结合。本文的描述中，“多个”的含义是至少两个。
[0021]在氘
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氚核聚变反应堆的包层内，有大量的流道用于冷却剂和液体增殖剂的流动。在RAFM钢、钒合金、SiC/SiC复合材料这三种包层候选结构材料中，只有SiC/SiC复合材料能满足包层冷却剂的高温化要求。然而，要将SiC/SiC复合材料用于包层流道的构筑，目前SiC/SiC复合材料的制造工艺尚难以克服，无法投入工程应用。
[0022]为此，本专利技术一个方面的实施例，提供了一种含钽铁素体耐热钢，该钢材的使用温度可达900℃，并能够在表面形成致密的α
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氧化铝陶瓷阻氚层。该钢材可替代SiC/SiC复合材料，满足包层冷却剂的高温化要求。
[0023]按重量比计，该钢材成分包括：Cr：20.0%
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25.0%，Ta：1.2%
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3.8%，Al：2.5%
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6.5%，Y：0.03%
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0.15%，Ti：0.01%
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0.05%，C：0.05%
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0.07%，N<0.005%，余量为Fe和不可避免的杂质。在该钢材中还可有0.05%
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0.5%的Sn。该含钽铁素体耐热钢严格控制C含量，并在钢材中加入较多的Cr与Al元素，以确保钢材基体在热加工过程中是单相的铁素体。通过选择性氧化，钢材中的Al元素在高温氧化条件下能原位生成α
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氧化铝陶瓷阻氚层。Sn元素的添加则能够提高钢材表面α
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氧化铝层的致密度，以改善钢材的高温氧化性本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含钽铁素体耐热钢，其特征在于，其成分按重量比计包括：Cr：20.0%
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25.0%，Ta：1.2%
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3.8%，Al：2.5%
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6.5%，Y：0.03%
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0.15%，Ti：0.01%
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0.05%，C：0.05%
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0.07%，N<0.005%，余量为Fe和不可避免的杂质。2.根据权利要求1所述的含钽铁素体耐热钢，其特征在于，还包括Sn，按重量比计，Sn含量为0.05%
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0.5%。3.根据权利要求2所述的含钽铁素体耐热钢，其特征在于，Sn元素固溶于铁素体的基体中。4.根据权利要求1或2所述的含钽铁素体耐热钢，其特征在于，其基体为单一的铁素体。5.根据权利要求4所述的含钽铁素体耐热钢，其特征在于，所述基体为等轴晶组织。6.根据权利要求1或2所述的含钽铁素体耐热钢，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：李聪，王勇，肖学山，李强，
申请(专利权)人：上海核工程研究设计院股份有限公司，
类型：发明
国别省市：