[发明专利]一种提高低活化铁素体/马氏体钢高温强度和抗氧化性能的方法

说明书

技术领域

本发明涉及低活化铁素体/马氏体钢制备技术领域，具体涉及一种提高低活化铁素体/马氏体钢高温强度和抗氧化性的方法。

背景技术

低活化铁素体/马氏体钢(RAFM)具有低的热膨胀系数、高的热导率、良好的抗辐照性能和成熟的技术基础等优点，被普遍认为是未来四代核反应堆和聚变堆的主要候选材料。该类钢的主要合金成分是Fe(9～12wt.％)Cr，以低活性的W、V、Ta等元素来取代耐热钢中高活性的Mo、Nb、Ni等元素而发展形成。低活化铁素体/马氏体钢的服役环境为高温环境，温度在300-600℃，要求材料具有良好的高温强度和抗高温氧化性能。

铁素体/马氏体钢经淬火、回火常规热处理后，碳化物主要在原奥晶界及马氏体板条界析出，是钢中的有效强化相，但高温下界面上元素通过短路扩散使得碳化物易发生粗化，从而导致材料强度的降低。此外，铁素体/马氏体钢中的Cr含量较低，高温下形成氧化膜的致密性和黏附性较差，导致抗氧化性能较差，这直接影响材料的使用寿命和安全性。因此，如何提高铁素体/马氏体钢的高温强度和抗氧化性能是一个亟待解决的问题。

为解决上述问题，科研人员研发出多种方法，如利用机械热处理方法改善碳化物的尺寸和分布，降低碳化物的粗化速率，提高材料的高温强度；调整热处理制度控制碳化物析出行为获得细小的M₂₃C₆碳化物，提高材料的高温强度；利用表面处理或制备涂层的方法来改善材料的抗氧化能力等。但是，依据上述方法无法同时兼顾到材料的高温强度和抗氧化性能，迫切需要开发高温强度和抗氧化性能更加优异的低活化铁素体/马氏体钢。本发明通过剧烈塑性变形工艺和热处理工艺来实现晶粒尺寸和碳化物的协同控制，同时提高低活化铁素体/马氏体钢的高温强度和抗氧化性能。

发明内容

为了解决现有低活化铁素体/马氏体钢高温强度和抗氧化性能不能兼顾的问题，本发明的目的是提供一种提高低活化铁素体/马氏体钢高温强度和抗高温氧化性能的方法，该方法通过旋转锻压变形和退火处理，实现晶粒尺寸和碳化物的协同控制，显著提高低活化铁素体/马氏体钢的高温强度和抗氧化性能。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种提高低活化铁素体/马氏体钢高温强度和抗高温氧化性能的方法，该方法是通过控制低活化铁素体/马氏体钢中的晶粒尺寸、碳化物的尺寸和分布状态，来提高材料的高温强度和抗氧化性能，具体包括以下步骤：

1)熔炼及热加工：采用真空感应炉熔炼低活化铁素体/马氏体钢，严格控制杂质元素含量，将铸锭在1100～1150℃保温2～3h后进行锻造，开坯锻造温度1100～1150℃，终锻温度900℃～950℃，获得锻板；

2)热处理：将步骤1)所得锻板在1000～1050℃保温30～60min后水冷；然后在750±10℃保温1～3h后空冷；

3)旋转锻压变形：将步骤2)热处理后的锻板在精密旋锻机上进行分道次旋转锻压变形处理，其中，旋转锻压变形的工艺参数为：变形温度为室温，单道次变形量为10％～20％(优选为15％)，累计变形量为85％～95％(优选90～95％)；

4)退火处理：将步骤3)变形后的合金在650～750℃(优选700℃)进行保温10～30min(优选20min)，取出空冷至室温。

上述步骤1)中，所述熔炼过程是将原材料按照低活化铁素体/马氏体钢的化学成分进行配料，装入CaO坩埚，采用真空感应熔炼铸锭。

本发明具有如下有益效果：

1、碳化物是低活化铁素体/马氏体钢中的有效强化相，但主要在原奥晶界及马氏体板条界析出，短路扩散促使碳化物发生粗化而降低高温强度。基于这方面的考虑，本发明通过剧烈塑性变形处理实现了低活化铁素体/马氏体钢中碳化物尺寸与分布的调控，一方面，使碳化物原本沿界面分布形貌转变为均匀分布形貌，另一方面，使原本棒状形貌碳化物转变为细小的球状形貌碳化物。这种细小均匀分布的碳化物既具有弥散强化效果，又有较小的粗化速率，有利于合金高温性能的提升。

2、本发明通过旋转锻压变形和退火处理工艺，实现了晶粒尺寸的调控，有效细化了晶粒尺寸且提高晶粒尺寸稳定性。一般认为，细晶材料中存在大量的界面和晶格畸变，使其在热力学上处于亚稳状态，高温下易发生晶粒长大。针对这一问题，本发明通过旋转锻压变形与退火处理的协同控制，利用细小、弥散分布碳化物颗粒对晶界迁移的强烈阻碍作用可保证细晶结构良好的稳定性，细晶结构有利于表面氧化层的快速形成，提高材料的高温氧化性能。