專利名稱：一種核聚變堆用大噸級高Ta低活化馬氏體鋼及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及核聚變堆用馬氏體型耐熱鋼，尤其涉及一種用于核聚變堆的大噸級高Ta低活化馬氏體結(jié)構(gòu)鋼材料及其制造。
背景技術(shù)：
核聚變能是一種幾乎用之不竭的永久性“安全”和“清潔”能源，是世界能源的未來，核聚變堆包層特別是氚增殖包層技術(shù)是聚變堆最終走向商業(yè)應(yīng)用必須發(fā)展的核心科學(xué)技術(shù)問題之一。其中聚變堆包層是聚變能實現(xiàn)應(yīng)用的核心關(guān)鍵技術(shù)之一，對聚變能商用化的成敗起著決定作用，其主要功能是實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換、氚增殖及包容等離子體等。核聚變堆的輻照環(huán)境比核裂變的輻照環(huán)境更為苛刻，高通量的聚變中子對材料更是一個巨大的挑戰(zhàn)，特別是對聚變堆包層結(jié)構(gòu)材料的挑戰(zhàn)，該問題成為聚變堆實現(xiàn)最終商業(yè)應(yīng)用的“瓶頸”問題之一，是目前世界上核聚變研究的一個主要領(lǐng)域。核聚變堆包層結(jié)構(gòu)材料需要具有較低的輻照腫脹和熱膨脹系數(shù)、較高的熱導(dǎo)率等優(yōu)良的熱物理、機械性能，因此目前普遍認為低活化的馬氏體型耐熱鋼(RAFM鋼)是聚變堆的首選結(jié)構(gòu)材料。世界各國均在發(fā)展和研究各自的RAFM鋼，如日本的F82H和JLF21，歐洲的EUR0F-ER97以及美國的9Cr22WVTa等，各材料成分如表I所示。作為核聚變堆結(jié)構(gòu)材料，除考量常規(guī)的拉伸性能、沖擊性能、斷裂韌性、蠕變性能、疲勞性能等材料特性外，還需考慮輻照對機械性能的影響，主要是輻照脆化、輻照腫脹等特性的影響。輻照脆化特性一般用韌-脆轉(zhuǎn)變溫度(DBTT)的變化來表示，許多試驗都表明:RAFM鋼的DBTT變化與Cr、W、V、Ta、Mo、Nb和Ni等元素含量有關(guān)；輻照腫脹主要是由材料中(n，a)和(n，P)核反應(yīng)生成的He、H和輻照缺陷積聚引起的，由于目前聚變?nèi)蕴幱谘芯侩A段以及缺乏適當(dāng)?shù)木圩冎凶釉?，一般采用快中子堆、高注量率中子堆、加速器高加速器高能離子等輻照模擬方法和其他小型聚變中子源等手段進行探索和研究，其影響機理尚不太清楚。目前，中國中科院等離子體物理研究所在與國內(nèi)外10余家單位合作下，開展了中國低活化馬氏體CLAM (China Low Activation Martensitic)鋼的設(shè)計與研發(fā)工作。到目前為止，該CLAM鋼進行了 20余爐次的真空感應(yīng)熔煉，開展了純凈化冶煉工藝探索，已經(jīng)發(fā)展到數(shù)百公斤級的冶煉水平，主要設(shè)計成分含量基本達到了穩(wěn)定可控水平，而且制造出了各種型材，但是冶煉公斤級別較低。國外，日本的F82H和歐洲的EUR0F-ER97進行了噸級以上的熔煉，純凈化冶煉接近了低活化水平要求，并進行了較為全面的性能測試、加工技術(shù)研究以及輻照實驗研究，但都未進行核聚變堆用高Ta低活化結(jié)構(gòu)鋼的大噸級工業(yè)化試制研究工作。隨著熱核聚變技術(shù)的研究進展，核聚變試驗包層模塊(TBM)和試驗堆的建設(shè)勢在必行，迫切需求大噸級工業(yè)化的高Ta核聚變堆包層結(jié)構(gòu)材料。表1.幾種典型的RAFM鋼及其化學(xué)成分(單位:wt% )
權(quán)利要求
1.一種核聚變堆用大噸級高Ta低活化馬氏體鋼，其化學(xué)成分重量百分含量為:C0.06-0.14%, Mn0.20-0.80%, Si ( 0.20%, S 彡 0.010%, P 彡 0.010%, Ni ( 0.20%,Cr8.00-10.0%,ffl.10-1.90%,V0.10-0.30%,Ta0.10-0.20%,Cu ^ 0.10%,Co ^ 0.01 %,Mo ^ 0.01 %, Nb ^ 0.01 %, Al ^ 0.03 %, B ^ 0.001 %, Ag ^ 0.001 %, Sn ^ 0.01 %,As ^ 0.01 %, Sb ^ 0.01 %, N ^ 0.02 %, 0 ^ 0.005 %,其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)；所述核聚變堆用大噸級高Ta低活化馬氏體鋼的室溫力學(xué)性能為:Rm彡1300MPa，Rp0.2彡950MPa，A 彡 14%, Z 彡 50%, Akv 彡 15J。
2.如權(quán)利要求1所述的核聚變堆用大噸級高Ta低活化馬氏體鋼，其特征在于，所述的大噸級可聞達4.5噸的級別。
3.如權(quán)利要求1或2所述的核聚變堆用大噸級高Ta低活化馬氏體鋼的制造方法，包括如下步驟: (1)真空感應(yīng)冶煉 先采用工業(yè)純鐵多次清洗由耐火磚砌成的真空感應(yīng)爐爐肌，再按照上述核聚變堆用大噸級高Ta低活化馬氏體鋼的成分配比，在已洗爐后的真空感應(yīng)爐中加入鐵，抽真空至20 μ以下時通電熔化鐵，待鐵熔清后依次加入除鉭外的其他元素，然后在真空度< 5 μ且電磁攪拌條件下在20-40分鐘內(nèi)分3-6次加入金屬鉭，精煉15-30分鐘并調(diào)整合金成分達到配比要求； (2)真空自牦冶煉 將真空感應(yīng)冶煉獲得的鋼液澆鑄成兩根等重的電極棒，然后進行退火、表面精整處理，精整后的電極棒與輔助電極焊接后在真空條件下進行自牦重熔精煉獲得自牦鋼錠；所獲自牦鋼錠依次經(jīng)退火、表面精整后，獲得精整鋼錠；其中，真空條件為真空計的設(shè)定值為OTorr，自牦重熔精煉的工作電壓為24-28V，電流4000-7000Α ； (3)鍛造成材 將步驟(2)獲得的精整鋼錠在1140°C _1180°C下進行鍛造加工，獲得核聚變堆用大噸級高Ta低活化馬氏體鋼棒材； 或者，將步驟(2)獲得的精整鋼錠在1140°C -1180°C下保溫3-5小時，鍛造開坯，然后在1130°C -1170°C下保溫1.0-3.0小時，熱軋成板材，獲得核聚變堆用大噸級高Ta低活化馬氏體鋼板材。
4.如權(quán)利要求3所述的核聚變堆用大噸級高Ta低活化馬氏體鋼的制造方法，其特征在于，步驟(I)中，所述依次加入除鉭外的其他元素的方法為:依次加入除鉭外的金屬鉻、金屬鎢、釩鐵、碳及其他元素。
5.如權(quán)利要求3所述的核聚變堆用大噸級高Ta低活化馬氏體鋼的制造方法，其特征在于，步驟(2)中，自牦鋼錠退火的溫度為670-690°C。
6.如權(quán)利要求3所述的核聚變堆用大噸級高Ta低活化馬氏體鋼的制造方法，其特征在于，步驟(2)中，精整后的電極棒焊接的方式為:將精整后的電極棒的尾部與輔助電極焊接起來。
7.如權(quán)利要求3-6任一所述的核聚變堆用大噸級高Ta低活化馬氏體鋼的制造方法，其特征在于，獲得的成品棒材和成品板材，其室溫力學(xué)性能為:Rm彡1300MPa,Rp0.2 彡 950MPa, A ^ 14%, Z ^ 50%, Akv ^ 15J。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種核聚變堆用大噸級高Ta低活化馬氏體鋼，其化學(xué)成分具有高Ta含量。本發(fā)明通過選用優(yōu)質(zhì)的合金原料、采用磚制真空感應(yīng)爐爐膽以控制Al、B等殘余元素、采用真空感應(yīng)冶煉和高真空(≤5μ)且電磁攪拌下在一定時間內(nèi)分次加入Ta的方法控制Ta等成分的均勻性、在極低的真空條件(設(shè)定值為0Torr)下采用自耗重熔精煉工藝來控制其中氣體和雜質(zhì)元素的含量，最終獲得核聚變堆用大噸級(4.5噸)超純凈高Ta低活化馬氏體鋼，自耗鋼錠退火后加工成材取樣測試其室溫力學(xué)性能為Rm≥1300MPa，Rp0.2≥950MPa，A≥14％，Z≥50％，Akv≥15J，實現(xiàn)了CLAM鋼的工業(yè)化制造。
文檔編號C22C38/48GK103160745SQ201310058779
公開日2013年6月19日 申請日期2013年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月25日
發(fā)明者張甫飛, 陳志強, 吳江楓, 陸青林, 楊樺, 楊慶 申請人:寶鋼特種材料有限公司