[发明专利]一种耐含氧化性离子浓硝酸腐蚀的高强度奥氏体时效不锈钢及其制备方法

说明书

本发明涉及一种耐含氧化性离子浓硝酸腐蚀的高强度奥氏体时效不锈钢及其制备方法，属于材料技术领域。以重量百分比计，该高强度奥氏体时效不锈钢的化学成分为：Cr:16.0～20.0％，Ni:23.0～27.0％，Si:0.5～6.0％，Mn:1.2～1.6％，Mo:1.2～1.4％，Ti:0.8～1.4％，Al:0.10～0.15％，C0.01％，O0.005％，N0.005％，P0.01％，S0.01％，余量为铁。该奥氏体时效不锈钢的制备方法为：配料→纯净化冶炼→浇注成型→锻造和热轧→多级时效热处理。本发明通过在钢中添加一定含量的钛和铝，采用不同温度的多级时效热处理工艺促进不同尺寸Ni₃Ti析出相的沉淀析出，提高奥氏体基体的强度，采用纯净化冶炼工艺控制钢中的夹杂物含量，在保证获得完全的奥氏体基体前提下，通过优化硅含量，提高基体在耐氧化性介质硝酸中的腐蚀性能，获得材料强度和耐腐蚀性能的最佳搭配。

技术领域

本发明涉及一种耐含氧化性离子浓硝酸腐蚀的高强度奥氏体时效不锈钢及其制备方法，属于材料技术领域。

背景技术

核能作为一种安全、清洁、可靠和低碳的可以大规模替代化石燃料的能源，被越来越多的国家所接受。核能是环境友好型的能源，核能的发展一方面可以解决能源问题，但核电站产生的核废料却对环境产生不可避免的污染，核废料即乏燃料的后处理问题一直是核能发展国家所面临的世界性难题，也制约着核电的可持续发展。

乏燃料的后处理是核燃料循环中最重要的一个环节，乏燃料溶解器是乏燃料后处理过程中的关键设备，相比较于早期成熟商用的乏燃料批式溶解器，转轮式连续式乏燃料溶解器由于其效率高、处理能力强等一系列优点而备受青睐，现已达到商业应用的水平，核能强国法国已成功建立了世界上唯一投入工业运行的连续式乏燃料溶解器。我国自2010年开始研究，计划于2021年完成科研样机的研制，为2025年建成年处理量可达800吨的大型商用核燃料后处理厂提供技术支撑。转轮式连续乏燃料溶解器结构可分为两部分：一部分是盛装浓硝酸的槽体，另一部分是对乏燃料短段进行操作的成套执行机构(大转轮等机构)。大转轮采用面齿轮的结构形式，与顶盖上的小齿轮构成面齿轮传动模式，带动大转轮转动。

转轮式连续乏燃料溶解器的核心部件“大转轮”的服役工况极为苛刻，一方面乏燃料中有一定浓度的Cr⁶⁺等氧化性离子，这些氧化性离子会加剧浓硝酸的腐蚀，另一方面“大转轮”还要承受齿轮转动带来的连续磨损，所以不仅要求材料具有耐氧化性离子浓硝酸中的腐蚀性能，而且还要具有一定的硬度，目前商用的奥氏体不锈钢无法兼顾高强度和耐硝酸腐蚀性能。核电强国法国成功商用连续式乏燃料处理器“大转轮”所采用的奥氏体不锈钢使用寿命长达20年之久，而我国目前试验阶段“大转轮”材料使用寿命不到1个月，关键核心部件材料的性能差异悬殊。因此，迫切需要开展连续式乏燃料溶解器“大转轮”所用耐含氧化性离子浓硝酸腐蚀高强度奥氏体不锈钢的研发。

发明内容

本发明的目的在于提供一种耐含氧化性离子浓硝酸腐蚀的高强度奥氏体时效不锈钢及其制备方法，第一采用多级时效热处理工艺，有效增加与基体共格生长不同尺寸FCC相—γ'相Ni₃Ti的相含量，提高奥氏体基体的强度和硬度；第二在保证获得完全的奥氏体基体前提条件下，通过优化合金中的硅含量，在钢的表面生成一层具有保护性的硅酸盐氧化物，提高基体在氧化性离子浓硝酸介质中的耐腐蚀性能；第三采用超低碳纯净化冶炼技术，通过降低晶界上的易腐蚀碳化物的数量和钢中的夹杂物含量提高钢的耐腐蚀性能，解决了奥氏体不锈钢强度和腐蚀性能兼顾的技术难点，获得了具有高硬度、高强度和优异耐腐蚀性能的材料。

本发明的技术方案是：

一种耐含氧化性离子浓硝酸腐蚀的高强度奥氏体时效不锈钢，以重量百分比计，其化学成分为：Cr:16.0～20.0％，Ni:23.0～27.0％，Si:0.5～6.0％，Mn:1.2～1.6％，Mo:1.2～1.4％，Ti:0.8～1.4％，Al:0.10～0.15％，C0.01％，O0.005％，N0.005％，P0.01％，S0.01％，余量为铁。