一種耐液態(tài)金屬腐蝕高鉻馬氏體耐熱鋼的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于耐熱金屬材料領(lǐng)域，具體涉及一種具有優(yōu)良強(qiáng)韌性、優(yōu)良高溫蠕變性 能、耐液態(tài)金屬腐蝕性能的馬氏體耐熱鋼，特別是涉及一種耐液態(tài)金屬腐蝕高鉻馬氏體耐 熱鋼。
【背景技術(shù)】
[0002] 液態(tài)金屬如液態(tài)鉛、鉛鉍等具有高導(dǎo)熱率、低熔點(diǎn)和高沸點(diǎn)、低蒸汽壓等優(yōu)良特 性，被世界各國(guó)設(shè)計(jì)用作快中子反應(yīng)堆、聚變反應(yīng)堆以及加速器驅(qū)動(dòng)次臨界系統(tǒng)等先進(jìn)核 反應(yīng)系統(tǒng)回路或包層的冷卻劑，同時(shí)由于其優(yōu)良的中子學(xué)特性和抗輻照損傷性能還被設(shè)計(jì) 用作加速器驅(qū)動(dòng)次臨界系統(tǒng)的高能中子靶靶材。在這些先進(jìn)核反應(yīng)系統(tǒng)中，結(jié)構(gòu)材料與作 為冷卻劑或中子靶的液態(tài)金屬直接接觸，產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕，如氧化腐蝕、氧化層剝落、合金 元素溶解以及脆化等等。以上要求結(jié)構(gòu)材料不僅需具備良好的強(qiáng)韌性、還需在高溫下具備 良好的熱強(qiáng)性、耐液態(tài)金屬腐蝕等綜合性能。鉻含量為9-12%的高鉻馬氏體耐熱鋼以其優(yōu) 良的熱強(qiáng)性、抗高溫氧化性能以及較低的成本等優(yōu)勢(shì)，成為了先進(jìn)核反應(yīng)堆液態(tài)金屬回路 結(jié)構(gòu)材料的首選候選材料。世界各國(guó)在選擇材料時(shí)，優(yōu)先考慮已經(jīng)商業(yè)化應(yīng)用于火電機(jī)組 及裂變堆等非液態(tài)金屬腐蝕環(huán)境下工作的耐熱鋼，如在加速器驅(qū)動(dòng)次臨界系統(tǒng)中，美國(guó)選 擇了 T91、HT9高鉻馬氏體鋼作為高負(fù)載部分(包殼、散裂靶結(jié)構(gòu)）的結(jié)構(gòu)材料。T91等馬氏 體耐熱鋼的最初用途為火電機(jī)組蒸汽回路等高溫部件的結(jié)構(gòu)材料，盡管具備良好的抗空氣 或水蒸氣氧化性能，但其耐液態(tài)金屬腐蝕性能較差。
[0003] 在現(xiàn)有技術(shù)中，專利文獻(xiàn)1提供了與本發(fā)明相近、同一領(lǐng)域的馬氏體結(jié)構(gòu)材料。這 種馬氏體結(jié)構(gòu)材料盡管具有良好的抗氧化性能，但是由于其組織中存在含量<5%的S鐵 素體，其強(qiáng)韌性特別是韌性較低，而且高溫蠕變持久性能也較低。另外，該專利文獻(xiàn)中并未 提到本發(fā)明中的特征，即獲得全部馬氏體組織，改善韌性和高溫蠕變強(qiáng)度。
[0004] 專利文獻(xiàn) 1 :申請(qǐng)?zhí)?201210589995. 0。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種具備優(yōu)良強(qiáng)韌性、優(yōu)良高溫蠕變性能和耐液態(tài)金屬腐 蝕性能的高鉻馬氏體耐熱鋼。本發(fā)明在專利文獻(xiàn)1的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出更為合理的高硅和高 鉻含量來提高耐液態(tài)金屬腐蝕性能，并通過較大幅度的調(diào)整碳、錳等元素含量來抑制S鐵 素體生成以獲得全馬氏體組織，提高強(qiáng)韌性，采用鉭、鈮、釩等微合金化元素進(jìn)行復(fù)合強(qiáng)化 提高高溫蠕變性能，從而使耐熱鋼具有優(yōu)良的強(qiáng)韌性、高溫蠕變性能和耐液態(tài)金屬腐蝕性 能。
[0006] 本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0007] -種耐液態(tài)金屬腐蝕高鉻馬氏體耐熱鋼，其特征為所述耐熱鋼的合金元素重量百 分比為：〇? 18% 彡C彡 0? 26%，1. 0% <Si彡 1. 5%，10% <Cr彡 11. 5%，1. 0% <W彡 1. 5%，0% <Mn< 1. 0%，Ta+Nb:彡0? 3%，0% <V彡0? 2%，余量為鐵；其中Ta和Nb不能同時(shí)為0。
[0008] 本發(fā)明所述耐液態(tài)金屬腐蝕高鉻馬氏體耐熱鋼，其特征在于，所述馬氏體耐熱鋼 中，C 優(yōu)選為 0? 20wt. % 彡 C 彡 0? 24wt. %。
[0009] 本發(fā)明所述耐液態(tài)金屬腐蝕高鉻馬氏體耐熱鋼，其特征在于，所述馬氏體耐熱鋼 中，Cr 優(yōu)選為 10wt. % < Cr < llwt. %。
[0010] 本發(fā)明所述耐液態(tài)金屬腐蝕高鉻馬氏體耐熱鋼，其特征在于，所述馬氏體耐熱鋼 中，Mn 優(yōu)選為 0? 5wt. % 彡 Mn < 1. Owt. %。
[0011] 本發(fā)明所述耐液態(tài)金屬腐蝕高鉻馬氏體耐熱鋼，其特征在于，所述馬氏體耐熱鋼 中，Ta+Nb 優(yōu)選為 0? lwt. % 彡（Ta+Nb)彡 0? 2wt. %。
[0012] 本發(fā)明所述耐液態(tài)金屬腐蝕高鉻馬氏體耐熱鋼，其特征在于，所述馬氏體耐熱 鋼中：P < 0? 005wt. %，S < 0? 004wt. %，Cu < 0? Olwt. %，Ti〈0,01Owt. %，A1〈0,01Owt. %， Co<0. 005wt. %〇
[0013] 本發(fā)明所述耐液態(tài)金屬腐蝕高鉻馬氏體耐熱鋼，其特征在于，所述馬氏體耐熱鋼 為全部馬氏體組織。
[0014] 本發(fā)明所述耐液態(tài)金屬腐蝕高鉻馬氏體耐熱鋼，其特征在于，所述馬氏體耐熱鋼 在液態(tài)金屬中腐蝕后，表面生成富含硅和鉻且具有保護(hù)性的致密氧化膜。
[0015] 以下對(duì)構(gòu)成本發(fā)明所述的馬氏體耐熱鋼中的各元素作用及范圍限定理由進(jìn)行說 明：
[0016] 碳：在高鉻馬氏體耐熱鋼中，一方面碳與Cr、Fe、V、Nb等元素形成M23C 6*MX型 碳化物，產(chǎn)生析出強(qiáng)化，是耐熱鋼獲得良好高溫強(qiáng)度的主要方式；另一方面碳為奧氏體形 成元素，擴(kuò)大奧氏體相區(qū)，保證鋼良好的淬透性以獲得全部馬氏體組織。在高鉻馬氏體耐 熱鋼中，碳含量偏低，鋼中會(huì)產(chǎn)生S鐵素體組織，損害鋼的韌性和高溫蠕變性能，碳含量 偏高，促進(jìn)鋼中碳化物的粗化，降低鋼的韌性、高溫蠕變性能和耐蝕性能。本發(fā)明鋼中，碳 含量范圍選擇為：〇. 18%彡C彡0. 26wt. %，既能保證獲得全部馬氏體組織，又能保持碳化 物較小的粗化速率以獲得良好的高溫蠕變性能和耐液態(tài)金屬腐蝕性能。優(yōu)選的碳含量為 0? 20% 彡 C 彡 0? 24wt. %。
[0017] 硅：硅可顯著改善耐熱鋼的抗氧化腐蝕性能，硅與氧結(jié)合在耐熱鋼表面生成Si02 和FeSi204，提高氧化膜的致密度，阻礙氧和液態(tài)金屬元素向基體滲入，從而有效降低耐熱鋼 的氧化速率和腐蝕速率。為達(dá)到該效果，鋼中硅含量需要超過1. 〇%以有效抵抗液態(tài)金屬的 腐蝕，而硅含量大于1.5%時(shí)，會(huì)促進(jìn)鋼中S鐵素體的形成以及Laves相的快速析出，惡化 鋼的高溫蠕變性能。本發(fā)明鋼中硅的添加含量限定為1. 〇% < Si彡1. 5wt. %。
[0018] 錳：錳是奧氏體形成元素，擴(kuò)大奧氏體相區(qū)，顯著降低鋼的Acl溫度和馬氏體開始 轉(zhuǎn)變溫度，起到抑制S鐵素體形成的作用。Mn含量過高會(huì)增大合金元素在基體中的擴(kuò)散速 率，加速碳化物的粗化，降低基體的熱穩(wěn)定性。另外，高的錳含量還會(huì)導(dǎo)致錳偏聚以及和硫 結(jié)合生成硫化錳夾雜，因此，本發(fā)明鋼中錳的含量選擇為0% < Mn < 1. 0%。優(yōu)選的錳含量為 0. 5% ^ Mn < lwt. %〇
[0019] 鉻：鉻是耐熱鋼中提高抗氧化性能的主添加元素，其不僅提高基體電位，還與氧結(jié) 合在耐熱鋼的表面生成致密的Cr203膜或是FeCr20 4尖晶石結(jié)構(gòu)氧化膜，阻止氧與基體進(jìn)一 步反應(yīng)，達(dá)到抗氧化和抗腐蝕的目的。除此之外，鉻還是極為重要的碳化物形成元素之一， 與碳結(jié)合形成Cr23C 6碳化物強(qiáng)化界面，提高組織熱穩(wěn)定性能。鋼中的鉻含量需超過10%才 能有效和硅產(chǎn)生協(xié)同作用抵抗液態(tài)金屬的腐蝕，而隨著鋼中鉻含量的進(jìn)一步提高，盡管鋼 的耐腐蝕性能提高，但是惡化持久性能且促進(jìn)鋼中S鐵素體的析出。因此，綜合考慮耐腐 蝕性能和高溫蠕變性能，本發(fā)明鋼中鉻含量選擇為10% < Cr< 11. 5wt. %。優(yōu)選的鉻含量為 10% < Cr 彡 llwt. %。
[0020] 鎢：鎢是固溶強(qiáng)化元素，也是鐵素體穩(wěn)定化元素。適量的W可以通過擴(kuò)散固溶進(jìn)入 M23C 6碳化物中起到抑制碳化物粗化的作用，提高耐熱鋼的高溫蠕變性能。為達(dá)到此目的，鋼 中鶴含量需超過1%，但是大量的鶴促進(jìn)鋼中Fe 2W型Laves相的析出及粗化，降低鋼的高溫 蠕變性能。因此，本發(fā)明鋼中，鎢含量范圍選擇為1. 〇% < W彡1. 5wt. %。
[0021] 鉭、鈮：為耐熱鋼中重要的析出相形成元素，與碳、氮結(jié)合生成MX型納米級(jí)碳氮化 物，這些析出相在高溫下具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性，能有效的釘扎位錯(cuò)，是耐熱鋼中提高高溫蠕 變性能的重要元素。鉭是低活化元素，加入鉭可部分替代鈮的合金化作用，以獲得具有低活 化特性的耐熱鋼。鈮、鉭含量過高，促進(jìn)MX型析出相的粗化。因此必須將鉭、鈮的總含量限 定在0. 3%以下。本發(fā)明中，綜合考慮將含量選擇為Ta+Nb 0. 3wt. %。優(yōu)選的Ta+Nb含量 為 0? 1% 彡（Ta+Nb)彡 0? 2wt. %。
[0022] 釩：釩為耐熱鋼中重要的析出相形成元素之一。一方面，釩具有強(qiáng)烈的固碳作用， 減緩碳化物的粗化，提高蠕變強(qiáng)度。另一方面，適量的釩在基體中生成納米級(jí)碳氮化物，可 有效控制位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，提高耐熱鋼的高溫蠕變性能。而高含量的釩會(huì)導(dǎo)致析出相快速粗化，因 此，本發(fā)明鋼中釩含量選擇為〇% < V彡0. 2wt. %。
[0023] 磷、硫：分別為鋼中的有害元素和主要夾雜物形成元素。鋼中磷含量偏高會(huì)降低鋼 的韌性，使鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度急劇升高，此外還惡化鋼的焊接性能。硫在鋼中主要以MnS等 夾雜形式存在，不僅降低鋼的韌性和塑性，而且降低錳的固溶作用。故本發(fā)明鋼中，P、S控 制極為嚴(yán)格，控制 P < 〇? 〇〇5wt. %、S < 0? 004wt. %。
[0024] 本發(fā)明的益處為：
[0025] 鉻含量為9-12%的傳統(tǒng)高鉻馬氏體耐熱鋼無(wú)法滿足高溫下耐液態(tài)金屬腐蝕性能 的要求。本發(fā)明通過采用更為合理的高硅和高鉻含量來提高耐液態(tài)金屬腐蝕性能，并通過 較大幅度的調(diào)整碳、錳等元素含量來抑制S鐵素體生成以獲得全馬氏體組織提高強(qiáng)韌性， 采用鉭、鈮、釩等微合金化元素進(jìn)行復(fù)合強(qiáng)化提高高溫蠕變性能，從而使耐熱鋼具有了優(yōu)良 的強(qiáng)韌性、高溫蠕變性能和耐液態(tài)金屬腐蝕性能。
【附圖說明】