一种高温气冷堆用高强韧镍铁基耐热合金及其制备方法，属于高温金属结构材料技术领域，化学成分按重量百分比C 0.01～0.1％，Ni 52.0～57.0％，Cr 17.0～21.0％，Mo 4.0～8.0％，Mn 1.0～2.0％，W 1.0～4.0％，Zr 0.01～0.3％，Y 0～0.07％，B 0.0005～0.02％，余量为Fe及不可避免的杂质元素；制备方法包括：1)按合金成分及含量准备原料；2)将原料真空冶炼，浇铸成铸锭；3)铸锭在1075～1125℃下进行低温预处理；4)在1200～1250℃下进行均质化处理；5)在1030～1180℃锻造成棒材；6)在1030～1180℃进行压延轧制；7)在1050～1150℃进行热处理。本发明专利技术的合金通过优化关键元素含量、热加工工艺和热处理制度，满足了高温气冷堆对材料高温强度和塑性、疲劳性能、蠕变性能、耐腐蚀性能和抗辐照性能的苛刻要求，在不高于900℃的条件下长期使用。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于高温金属结构材料，具体为一种用于高温气冷堆的高强韧镍铁基耐热合金及其制备方法。
技术介绍
1、第四代核能系统具有安全性高、经济性好、核废物量少，可有效防止核扩散等显著优势，代表了当前先进核能系统的发展趋势和技术前沿。在第四代核能系统的几种先进堆型中，高温气冷堆具有固有安全性优异、发电效率高、单堆功率小、模块化设计与建造便捷等独特优点，被认为是下一代核能技术的重要选择，具有广阔的应用前景。
2、我国也非常重视第四代核反应堆的研发，且在高温气冷堆技术上具有一定优势。目前，国内在推广高温气冷堆技术向石油化工、煤炭气化、制氢炼钢、空间电源等能源需求领域应用时还面临着诸多难题，其中结构材料的选择和制备成为亟需解决的工程难题之一。
3、在庞大而精密的核反应堆系统中，堆本体关键部件(包括反应堆容器、中间热交换器等堆内部件)的安全性和可靠性不可忽视，它是保证反应堆在提供稳定能量来源过程中安全运行的重要基础。这些部件的服役工况极其苛刻，例如某型高温气冷堆能量供应系统的部件需承受高温(反应堆出口温度可以达到950℃)、气体介质腐蚀(氦气冷却剂)、交变载荷以及强中子辐照作用，并且需要在15～20年内可靠运行而无需检查或预防性措施。显然，传统的奥氏体不锈钢(如316系不锈钢)已不能满足上述要求。镍铁基合金由于具有良好的综合性能和组织稳定性，已广泛应用于第四代核反应堆的众多堆型中。与奥氏体不锈钢相比，较高的ni含量保证了其高温强度和抗辐照性能；同时，与镍基合金相比，一定的fe含量使其成本更低，热加工性能更优。
4、堆本体关键部件用结构材料需要兼顾耐高温、强韧性、抗蠕变疲劳、耐腐蚀及抗辐照肿胀性能。目前，虽然多种材料可以满足上述某能源动力系统用高温气冷堆部件服役的个别要求，但没有一种材料能够同时满足所有要求。因此，为了适应我国能源动力领域的发展需求，亟需研发兼具优异的强度、塑性、韧性、耐高温、耐腐蚀、抗辐照和工艺性能的镍铁基耐热合金。
技术实现思路
1、为解决我国某型高温气冷堆用关键部件对镍铁基耐热合金的需求，本专利技术的目的在于提供一种用于高温气冷堆管件的高强韧镍铁基耐热合金及其制备方法，该镍铁基合金具有较低成本，良好的强度、塑性、韧性、耐高温、耐腐蚀、抗辐照和工艺性能。
2、为了实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：
3、一种高温气冷堆用高强韧镍铁基耐热合金，其化学成分范围按重量百分比为：c0.01～0.1％，ni 52.0～57.0％，cr 17.0～21.0％，mo 4.0～8.0％，mn 1.0～2.0％，w 1.0～4.0％，zr 0.01～0.3％，y 0～0.07％，余量为fe及不可避免的杂质元素。
4、同时，b元素的重量百分比严格控制为0.0005～0.02％。
5、进一步地，ni和fe元素的重量百分比满足：ni/fe≥3.3；
6、进一步地，mo和w元素的重量百分比满足：mo+w≥7.5％；
7、进一步地，c、b和zr元素的重量百分比满足：c+b+zr≥0.055％；
8、进一步地，上述合金中还有不可避免杂质，杂质含量按重量百分比为：o≤0.01％，pb≤0.001％，bi≤0.001％，as≤0.005％，sb≤0.01％，sn≤0.005％，co≤0.1％，al≤0.15％，ti≤0.15％，si≤0.3％，n≤0.03％，cu≤0.1％，p≤0.015％，s≤0.01％。
9、更进一步地，上述的高温气冷堆用高强韧镍铁基耐热合金其在室温力学性能满足抗拉强度≥600mpa，屈服强度≥250mpa，延伸率≥40％，断面收缩率≥65％，冲击韧性kv2≥300j；850℃拉伸性能满足：抗拉强度≥230mpa，屈服强度≥130mpa，延伸率≥50％，断面收缩率≥55％。
10、所述的高温气冷堆用高强韧镍铁基耐热合金的制备方法：将原材料按照上述化学成分配比进行配料，熔炼浇注成铸锭后，依次进行低温预处理、均质化处理、热加工和固溶处理。
11、具体步骤如下：
12、1)配制合金：合金成分按重量百分比满足如下范围要求：c 0.01～0.1％，ni 52.0～57.0％，cr 17.0～21.0％，mo 4.0～8.0％，mn 1.0～2.0％，w 1.0～4.0％，zr 0.01～0.3％，y 0～0.07％，b 0.0005～0.02％，余量为fe；
13、2)冶炼：将配制的合金进行真空冶炼，熔炼成合金液，将合金液浇铸成铸锭；
14、3)低温预处理：将铸锭放入加热炉，随炉升温至1075～1125℃，保温处理时间≥2h；
15、4)均质化处理：在步骤3)基础上将炉温升高至1200～1250℃，保温处理时间≥15h；
16、5)锻造：将铸锭在1030～1180℃进行锻造制成棒材，锻造比7～9；
17、6)轧制：将热处理棒材在1030～1180℃进行压延轧制，制成压延棒材；
18、7)固溶处理：将压延棒材在1050～1150℃保温30～90min，空冷或水冷。
19、上述的步骤2)中，真空冶炼的条件为真空度≤1pa。
20、上述的步骤5)中，按照gb/t 6394-2002《金属平均晶粒度测定法》进行晶粒度测定，锻造棒材的晶粒度要求为4.0～8.0级。
21、上述的步骤6)中，压延轧制进行5～9个道次，制成的压延棒材与锻造棒材的直径比1：(4～5)。
22、上述的步骤6)中，按照gb/t 6394-2002《金属平均晶粒度测定法》进行晶粒度测定，压延棒材的平均晶粒度10.0～14.0级。
23、上述的步骤7)中，按照gb/t 6394-2002《金属平均晶粒度测定法》进行晶粒度测定，高强韧镍铁基合金的平均晶粒度4.0～8.0级。
24、本专利技术的设计思想如下：
25、为满足高温气冷堆对材料高温强度、塑性、蠕变、疲劳、耐腐蚀和抗辐照性能的苛刻要求。本专利技术主要基于以下的合金设计思想：
26、1)成分设计与优化
27、基于“多元素复合强化”理论和“选择性强化”理论对合金成分进行全面优化设计，上述主要化学成分具体选取理由如下(合金成分按重量百分比计)：
28、c：c是强奥氏体形成元素，能够稳定并扩大奥氏体相区，同时也能够起到间隙固溶强化作用。c作为碳化物形成元素，可以形成mc、m6c、m23c6等碳化物，这些碳化物优先在晶界析出，对材料的晶界性能产生重要的影响，如不连续颗粒状碳化物，既可以阻碍晶界滑移和裂纹扩展来提高蠕变强度，又可以改善蠕变塑性。此外，适量的c还可以提高合金的可铸性。然而，当c含量过高时，容易导致大量碳化物形成从而降低基体中固溶强化元素含量，还易出现中温“敏化”现象。高的c含量对合金的焊接性能也不利。因此，c含量范围控制为0.01～0.1％。
29、ni：ni本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种高温气冷堆用高强韧镍铁基耐热合金，其特征在于，化学成分按重量百分比为：C 0.01～0.1％，Ni 52.0～57.0％，Cr 17.0～21.0％，Mo 4.0～8.0％，Mn 1.0～2.0％，W1.0～4.0％，Zr 0.01～0.3％，Y 0～0.07％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。
2.根据权利要求1所述的一种高温气冷堆用高强韧镍铁基耐热合金，其特征在于，所述合金还含有B元素，所述B元素的重量百分比为0.0005～0.02％。
3.根据权利要求2所述的一种高温气冷堆用高强韧镍铁基耐热合金，其特征在于，Ni和Fe元素的重量百分比满足：Ni/Fe≥3.3；Mo和W元素的重量百分比满足：Mo+W≥7.5％；C、B和Zr元素的重量百分比满足：C+B+Zr≥0.055％。
4.根据权利要求3所述的一种高温气冷堆用高强韧镍铁基耐热合金，其特征在于，所述高温气冷堆用高强韧镍铁基耐热合金在室温力学性能满足抗拉强度≥600MPa，屈服强度≥250MPa，延伸率≥40％，断面收缩率≥65％，冲击韧性KV2≥300J；850℃拉伸性能满足：抗拉强度≥230MPa，屈服强度≥130MPa，延伸率≥50％，断面收缩率≥55％。
5.权利要求1-4任一项所述的高温气冷堆用高强韧镍铁基耐热合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的高温气冷堆用高强韧镍铁基耐热合金的制备方法，其特征在于，步骤2)中，真空冶炼的条件为真空度≤1Pa。
7.根据权利要求5所述的高温气冷堆用高强韧镍铁基耐热合金的制备方法，其特征在于，步骤5)中，锻造棒材的晶粒度要求为4.0～8.0级。
8.根据权利要求5所述的高温气冷堆用高强韧镍铁基耐热合金的制备方法，其特征在于，步骤6)中，压延轧制进行5～9个道次，制成的压延棒材与锻造棒材的直径比1：(4～5)。
9.根据权利要求5所述的高温气冷堆用高强韧镍铁基耐热合金的制备方法，其特征在于，步骤6)中，压延棒材的平均晶粒度10.0～14.0级。
10.根据权利要求5所述的高温气冷堆用高强韧镍铁基耐热合金的制备方法，其特征在于，步骤7)中，制得的高强韧镍铁基合金的平均晶粒度4.0～8.0级。
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【技术特征摘要】
1.一种高温气冷堆用高强韧镍铁基耐热合金，其特征在于，化学成分按重量百分比为：c 0.01～0.1％，ni 52.0～57.0％，cr 17.0～21.0％，mo 4.0～8.0％，mn 1.0～2.0％，w1.0～4.0％，zr 0.01～0.3％，y 0～0.07％，余量为fe及不可避免的杂质元素。
2.根据权利要求1所述的一种高温气冷堆用高强韧镍铁基耐热合金，其特征在于，所述合金还含有b元素，所述b元素的重量百分比为0.0005～0.02％。
3.根据权利要求2所述的一种高温气冷堆用高强韧镍铁基耐热合金，其特征在于，ni和fe元素的重量百分比满足：ni/fe≥3.3；mo和w元素的重量百分比满足：mo+w≥7.5％；c、b和zr元素的重量百分比满足：c+b+zr≥0.055％。
4.根据权利要求3所述的一种高温气冷堆用高强韧镍铁基耐热合金，其特征在于，所述高温气冷堆用高强韧镍铁基耐热合金在室温力学性能满足抗拉强度≥600mpa，屈服强度≥250mpa，延伸率≥40％，断面收缩率≥65％，冲击韧性kv2≥300j；850℃拉伸...
【专利技术属性】
技术研发人员：秦学智，王佳祺，姚志强，管现军，吴云胜，郭永安，赵乐，侯介山，周兰章，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：
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