[发明专利]一种超临界水堆用马氏体钢及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于金属材料领域，涉及一种超临界水堆燃料包壳管用马氏体钢，具有高温强度高、耐超临界水腐蚀，并具有低的感生放射活性。 

背景技术

随着经济发展对能源需求的不断增加，核能作为一种安全、清洁、高效的能源形式逐渐显露出了其在新能源领域中的重要地位。目前国际上已经进入第四代核能系统的研发阶段，作为第四代核能系统六种候选堆型中唯一的水冷堆，超临界水堆更符合我国核电相关单位经验和技术传承性的要求。超临界水堆在各方面性能均较现有轻水堆核电站有较大提高的同时，也在材料、反应堆设计等方面提出了新的挑战。 

作为超临水堆中工况条件最为苛刻的燃料包壳管，其内壁面临着强烈的中子辐照、裂变气体压力与腐蚀、燃料肿胀、吸氢致脆和包壳与芯块相互作用等危害；外壁受到超临界水高温、压力、冲刷、振动和腐蚀以及氢脆等威胁。这就要求包壳材料具有高温强度高、高温韧性好、抗高温蠕变、抗高温腐蚀、抗辐照脆性及低活性。现有的水冷堆、超临界火电站用包壳管或冷却管材料均不适用于超临界水堆的服役环境。 

铁素体马氏体钢因具有热导率高、热膨胀系数小，辐照肿胀低等优点，是核反应堆关键部件的优选材料。国际上研究的比较成熟的的铁素体马氏体钢主要有EUROFER97钢，日本的F82H，美国的HT9、HCM12A钢等（表1给出了它们的主要成分），这些钢大多数定位在7-9wt%的铬含量，以便获得强韧性高的单相马氏体钢。但在550-650℃，25MPa的超临界水环境下，7-9wt%铬含量的马氏体钢存在严重的腐蚀增重，随温度每升高100℃，腐蚀增重提高4-5倍，远远不能满足超临界工况对材料的需求。因此需要针对超临界水堆的工况条件，开发高温强度高、耐腐蚀性好、低感生放射活性的铁素体马氏体钢。 

表1 

发明内容

针对超临界水堆的工况要求，本发明提出一种适用于超临界水工况的高强耐热钢及其制备方法，将铬含量提高到12%以保证钢的耐超临界水腐蚀性能，添加扩大γ相区的元素Ni、Mn和N来减少钢中铁素体含量，以保证钢的强度机械性能、机械加工性能及高温蠕变特性。并通过微合金化技术，加入一些微量元素（B、Mo）以保证能够得到单相马氏体组织。 

超临界水堆用马氏体钢各成分的质量百分含量如下： 

C：0.09～0.11%、Cr：11.7～12.2%、Mn：0.95～1.05%、Mo：0.95～1.05%、W：1.05～1.15%、Ni：0.95～1.1%、N：0.05～0.07%、Ta：0.13～0.18%、Al：0.04～0.06%、Si：0.12～0.18%、V：0.18～0.23%、B<0.001%、S<0.003%、P<0.005%、Fe余量。 

铬是影响材料在超临界水中耐蚀性的重要元素之一。随铬含量增加，钢的耐蚀性增加，其抗高温氧化能会出现明显的提高。但由于钢中铬起缩小γ相区的的作用，当碳含量较低（含量控制在0.1%左右）时，钢中铬含量从9%提高到12%后，铁素体马氏体钢中的铁素体量明显升高，室温下将不能形成全马氏体组织，钢的耐蚀性和强度降低。因此出于耐蚀性的需求，铬含量定为12%左右，通过添加扩大γ相区的元素Ni、Mn和N来减少钢中铁素体含量，来保证钢的强度，同时钢中Ni的含量也不能过高，控制在0.95～1.1%，以保证本合金在室温下可以得到马氏体组织；并克服Ni在辐照过程中发生嬗变，以保证钢的耐辐照性能，少量Ni的添加有利于提高其在超临界水中的耐蚀性。 

本发明钢中W和Mo均起到缩小γ相区，扩大α相区的作用，且均为强碳化物形成元素，出于低活化的要求聚变堆用铁素体马氏体钢均采用W代替Mo以降低材料的活性，由于超临界水堆采用慢中子谱，对材料的辐照损伤没有聚变堆强，故本发明降低了W的含量采用部分Mo代替W。Mo的添加还可以起到抑制或减轻材料的第二类回火脆性的作用。 

Mn作为扩大γ相区元素，提高本发明中的Mn含量同样可以使铁素体含量降低。而且Mn作为良好的脱氧、脱硫剂可以有效的降低钢中的S含量，避免由于S含量过高引起的钢的热脆。 

N同C一样可以扩大γ相区，并且与合金元素形成氮化物，提高钢的强度，N的添加还可以提高钢的淬透性。 

当B在分布在钢的晶界上，可以有效的提高钢的持久强度，强化晶界，降低晶间能，抑制铁素体形核，钢中少量B的添加就可以极大的提高钢的淬透性。