反應(yīng)堆乏燃料貯運用特種鋼基合金材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種反應(yīng)堆乏燃料貯運用特種鋼基合金材料及其制備方法，特種鋼基合金材料具有如下的成分及質(zhì)量百分比：C≤0.03%，N≤0.02%，S≤0.01%，P≤0.03%，Mn≤1.0%，Cr：10.0～32.0%，Al：3.0～20.0%，B:0.5?5.0%，Ti:0.75?12.5%，其余部分為鐵和不可避免的雜質(zhì)，且Ti含量與B含量之比滿足Ti:B=1.5?2.5。經(jīng)配料和真空感應(yīng)熔制過程中原位形成微納米級TiB2顆粒后，經(jīng)澆注成型，再經(jīng)熱鍛、熱軋和退火處理等工藝，最終制得一種反應(yīng)堆乏燃料貯運用特種鋼基合金材料棒材或板材。本發(fā)明特種鋼基合金材料具有強(qiáng)度高、成本低，耐腐蝕和加工成型性優(yōu)良等優(yōu)點。
【專利說明】
反應(yīng)堆乏燃料貯運用特種鋼基合金材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種不銹鋼合金材料及其制備方法，特別是涉及一種含鋁鐵素體不銹 鋼合金材料及其制備方法，應(yīng)用于核功能鋼鐵合金材料技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 核能作為高效、清潔的能源，不僅在安全性、穩(wěn)定性以及對環(huán)境的保護(hù)性上具有明 顯的優(yōu)勢，更是一種經(jīng)濟(jì)的能源，在未來的能源機(jī)構(gòu)中必將成為新一代的能源支柱。在利用 核能的同時，也伴隨著乏燃料的產(chǎn)生，核反應(yīng)堆卸出的乏燃料具有極強(qiáng)的α、β、γ放射性，伴 有一定的中子發(fā)射率，并伴隨放出熱量。乏燃料從反應(yīng)堆中卸出后需在乏燃料水池中貯存 一段時間，以使短半衰期的放射性核素絕大部分衰變掉，并帶走其衰變熱。通常每臺百萬千 瓦級核電機(jī)組每年可卸出25噸乏燃料，目前我國積累的乏燃料已達(dá)到1000噸以上；按照我 國目前核電發(fā)展規(guī)模和速度測算，到2020年我國將累計產(chǎn)生乏燃料7500噸-1萬噸，2030年 將達(dá)到2萬噸-2.5萬噸。目前廣泛使用的用作反應(yīng)堆乏燃料貯運用的是硼鋼，近年已能連鑄 生產(chǎn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為〇. 6 %B和1.0 %B的不銹鋼，其強(qiáng)度高、耐蝕性優(yōu)良、吸收中子能力良好。但 是，硼在不銹鋼中的溶解度低，過量的硼加入會析出硼化物(Fe、Cr)2B，導(dǎo)致熱延性大大降 低，而且制備出更高硼含量的硼鋼是非常困難的。B4C/A1中子吸收材料存在工藝復(fù)雜、B4C 與Al嚴(yán)重的界面反應(yīng)、耐腐蝕、抗輻照能力、以及使用過程中的老化等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了解決現(xiàn)有技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)存在的不足，提供一種 反應(yīng)堆乏燃料貯運用特種鋼基合金材料及其制備方法，大幅度降低原材料成本，本發(fā)明特 種鋼基合金材料可以用作反應(yīng)堆乏燃料的貯運，材料易加工。
[0004] 為達(dá)到上述發(fā)明創(chuàng)造目的，本發(fā)明采用如下發(fā)明構(gòu)思：
[0005] 根據(jù)鈦與硼合金化原理，本發(fā)明通過大量試驗研究發(fā)現(xiàn)，在高鋁鐵素體不銹鋼真 空感應(yīng)熔煉過程中，加入合適比例的鈦和硼可原位合成彌散均勻分布的微納TiB2顆粒，并 使微納TiB2顆粒彌散均勻分布于特種鋼基合金材料中，從而制備高硼含量的特種鋼基合金 材料。
[0006] 根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：
[0007] -種反應(yīng)堆乏燃料貯運用特種鋼基合金材料，其主要成分按照如下質(zhì)量百分比 (%)組成?0.03%小彡0.02%，5彡0.01%，卩彡0.03%，]?11彡1.0%，0:10.0~32.0%， Al :3.0~20.0%，B:0.5-5.0%，Ti :0.75-12.5%，其余部分主要為鐵和不可避免的雜質(zhì)，隨 B含量的增加，Ti含量增加，且Ti含量與B含量的質(zhì)量之比滿足Ti :B=( 1.5~2.5): 1。
[0008] 作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，特種鋼基合金材料成分還含有Si和Mo中的至少一種 元素，以成分的質(zhì)量百分比（％)計，含量為Si<3.0%，M 〇<3.0%。
[0009] 作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù)方案，特種鋼基合金材料主要成分按照如 下質(zhì)量百分比（％ )組成：C: 0.016~0.02%，N: 0.002~0.004%，S: 0.001~0.003%，P: 0.015~0.02%，Mn彡1.0%，Cr:18.5~25.6%，A1:5.0~13.0%，B:0.5-5.0%，Ti:0.75-12.5%，Si : 0.5~0.8%，其余部分為鐵。作為更進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù)方案，特種鋼基合金材料 主要成分按照如下質(zhì)量百分比（％ )組成：C:0.016~0.02%，N:0.002~0.004%，S:0.001~ 0.003%，P:0.015~0.02%，Cr :18.5~25.6%，Α1:5·0~13.0%，B:2.5%，Ti :5.5%，Si: 0.5~0.8%，其余部分為鐵。
[0010] 作為上述技術(shù)方案的另一種進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù)方案，特種鋼基合金材料主要成分 按照如下質(zhì)量百分比（％)組成：C:0.015 ~0.03%，N:0.005~0.02%，S:0.001~0.01%，P: 0.01~0.02%，Cr:20.5~22.3%，Al :6.0~10.3%，B:2.0-4.5%，Ti:4.2-10.0%，Mo:0.7 ~1.5%，其余部分為鐵。
[0011] -種反應(yīng)堆乏燃料貯運用特種鋼基合金材料的制備方法，包括如下步驟：
[0012] a.采用真空感應(yīng)熔煉工藝，在原料配料時，主要原料成分按照如下質(zhì)量百分比 (%)組成進(jìn)行原料配料《0.03%氺彡0.02%，5彡0.01%，卩彡0.03%，]\111彡1.0%，(> : 10 ·0~32.0%，A1:3.0~20.0%，B:0.5-5.0%，Ti :0.75-12.5%，其余原料成分為鐵，隨原 料中B添加量的增加，Ti添加量增加，且Ti添加量與B添加量的質(zhì)量之比滿足Ti :B= (1.5~ 2.5): 1，將配料后稱量的全部原料進(jìn)行真空感應(yīng)熔煉，得到合金熔體;原料組成中還添加優(yōu) 選含有Si和Mo中的至少一種元素，以原料組分的質(zhì)量百分比（％ )計，含量為Si彡3.0%，Mo 彡3.0% ;原料主要成分優(yōu)選按照如下質(zhì)量百分比（％ )組成:C:0.016~0.02%，N:0.002~ 0.004%，S:0.001~0.003%，Ρ:0·015~0.02%，Mn彡1.0%，Cr:18.5~25.6%，Α1:5·0~ 13.0%，B:0.5-5.0%，Ti :0.75-12.5%，Si :0.5~0.8%，其余原料成分為鐵;原料主要成分 進(jìn)一步優(yōu)選按照如下質(zhì)量百分比（％ )組成：C:0.016~0.02%，N:0.002~0.004%，S:0.001 ~0.003%，P:0.015~0.02%，Cr :18.5~25.6%，Al:5.0~13.0%，B:2.5%，Ti:5.5%，Si: 0.5~0.8%，其余原料成分為鐵;原料主要成分另外優(yōu)選按照如下質(zhì)量百分比（％)組成:C: 0.015~0.03%，N :0.005~0.02%，S:0.001~0.01%，P:0.01~0.02%，Cr:20.5~22.3%， Al :6.0~10.3%，B:2.0-4.5%，Ti :4.2-10.0%，Mo:0.7~1.5%，其余原料成分為鐵；
[0013] b.將在所述步驟a中制備的合金熔體澆鑄成型，將澆鑄得到的合金鑄錠依次經(jīng)熱 鍛、熱乳和退火熱處理工藝，最終制得反應(yīng)堆乏燃料貯運用特種鋼基合金材料棒材或板材。
[0014] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實質(zhì)性特點和顯著優(yōu)點：
[0015] 1.與傳統(tǒng)的硼鋼或B4C/A1基復(fù)合材料相比，采用真空感應(yīng)熔煉工藝，經(jīng)綜合配料 和熔制過程中原位形成微納米級TiB2顆粒后，經(jīng)澆注成型，再經(jīng)熱鍛、熱乳和退火處理等工 藝，最終制得一種反應(yīng)堆乏燃料貯運用特種鋼基合金材料棒材或板材，本發(fā)明反應(yīng)堆乏燃 料貯運用特種鋼基合金材料具有強(qiáng)度高、成本低，耐腐蝕和加工成型性優(yōu)良等特點；
[0016] 2.本發(fā)明反應(yīng)堆乏燃料貯運用特種鋼基合金材料在其成分范圍內(nèi)的鋼經(jīng)熱乳和 退火處理后，其室溫拉伸斷裂強(qiáng)度在600~1000 Mpa范圍，有效抑制使用過程中的易老化的 缺陷，是未來替換傳統(tǒng)的硼鋼或B4C/A1基復(fù)合材料等系列的最佳候選材料，可以大幅度降 低原材料成本。
【具體實施方式】
[0017] 本發(fā)明的優(yōu)選實施例詳述如下：
[0018] 實施例一：
[0019] 在本實施例中，一種反應(yīng)堆乏燃料貯運用特種鋼基合金材料的制備方法，包括如 下步驟：
[0020] a.采用真空感應(yīng)熔煉工藝，在原料配料時，采用的原料成分按照如下質(zhì)量百分比 (% )組成進(jìn)行原料配料： Cr 18.5%； Al 5 0%； Ti 5.5%； B 2,5%; G 0.02% ；
[0021] Si 0, 5%； S Q, 003%； N 0.004%； P 0.02%； Fe 余量；
[0022] 將配料后稱量的全部原料進(jìn)行真空感應(yīng)熔煉，得到合金熔體；
[0023] b.將在所述步驟a中制備的合金熔體澆鑄成型，將澆鑄得到的合金鑄錠依次經(jīng)熱 鍛、熱乳和退火熱處理工藝，最終制得反應(yīng)堆乏燃料貯運用特種鋼基合金材料棒材。
[0024]本實施例采用真空感應(yīng)熔煉工藝，經(jīng)綜合配料熔制過程中原位形成微納米級TiB2 顆粒后，經(jīng)澆注成型，再經(jīng)熱鍛、熱乳和退火處理等工藝，最終制得一種反應(yīng)堆乏燃料貯運 用特種鋼基合金材料棒材。經(jīng)過實驗測試，測試結(jié)果表明，本實施例制備的特種鋼基合金材 料棒材的室溫拉伸斷裂強(qiáng)度大于750MPa。本實施例制備的特種鋼基合金材料的力學(xué)和耐蝕 性能優(yōu)于傳統(tǒng)的硼鋼或B4C/A1基復(fù)合材料，可以用作反應(yīng)堆乏燃料貯運用等方面的管料和 板材等零部件，是未來替換傳統(tǒng)的硼鋼或B4C/A1基復(fù)合材料等系列的最佳候選材料，可以 大幅度降低原材料成本。
[0025] 實施例二：
[0026] 本實施例與實施例一基本相同，特別之處在于：
[0027] 在本實施例中，一種反應(yīng)堆乏燃料貯運用特種鋼基合金材料的制備方法，包括如 下步驟：
[0028] a.采用真空感應(yīng)熔煉工藝，在原料配料時，采用的原料成分按照如下質(zhì)量百分比 (% )組成進(jìn)行原料配料： Cr 25.6%；： Al 13.0%； Ti 5.5%； B 2.5%； C 0 016%：
[0029] Si 0.8%； S 0.001%； N 0.002%； P 0,015%； Fe 余量；
[0030] 將配料后稱量的全部原料進(jìn)行真空感應(yīng)熔煉，得到合金熔體；
[0031] b.本步驟與實施例一相同。
[0032] 經(jīng)過實驗測試，測試結(jié)果表明，本實施例制備的特種鋼基合金材料棒材的室溫拉 伸斷裂強(qiáng)度大于900MPa。本實施例制備的特種鋼基合金材料的力學(xué)和耐蝕性能優(yōu)于傳統(tǒng)的 硼鋼或B4C/A1基復(fù)合材料，可以用作反應(yīng)堆乏燃料貯運用等方面的管料和板材等零部件， 是未來替換傳統(tǒng)的硼鋼或B4C/A1基復(fù)合材料等系列的最佳候選材料，可以大幅度降低原材 料成本。
[0033] 實施例三：
[0034] 本實施例與前述實施例基本相同，特別之處在于：
[0035] 在本實施例中，一種反應(yīng)堆乏燃料貯運用特種鋼基合金材料的制備方法，包括如 下步驟：
[0036] a.采用真空感應(yīng)熔煉工藝，在原料配料時，采用的原料成分按照如下質(zhì)量百分比 (% )組成進(jìn)行原料配料： Cr 22.3%； Al 6.0%； Ti 10.0%； B 4 5%; C 0.03%；
[0037] Mo 0. 7%; S 0.001%； .N 0.005%； P 0.02%； Fe 余量；
[0038]將配料后稱量的全部原料進(jìn)行真空感應(yīng)熔煉，得到合金熔體；
[0039] b.本步驟與實施例一相同。
[0040]經(jīng)過實驗測試，測試結(jié)果表明，本實施例制備的特種鋼基合金材料棒材的室溫拉 伸斷裂強(qiáng)度大于850MPa。本實施例制備的特種鋼基合金材料的力學(xué)和耐蝕性能優(yōu)于傳統(tǒng)的 硼鋼或B4C/A1基復(fù)合材料，可以用作反應(yīng)堆乏燃料貯運用等方面的管料和板材等零部件， 是未來替換傳統(tǒng)的硼鋼或B4C/A1基復(fù)合材料等系列的最佳候選材料，可以大幅度降低原材 料成本。
[0041 ] 實施例四：
[0042] 本實施例與前述實施例基本相同，特別之處在于：
[0043] 在本實施例中，一種反應(yīng)堆乏燃料貯運用特種鋼基合金材料的制備方法，包括如 下步驟：
[0044] a.采用真空感應(yīng)熔煉工藝，在原料配料時，采用的原料成分按照如下質(zhì)量百分比 (% )組成進(jìn)行原料配料： Cr 20.5%； Al 10.3%； Ti 4.2%； B 2.0%；
[0045] C 0.015%； Mo 1.5%； S 0 01%； H 0.02%； P 0.01%；
[0046] Fe 余量；
[0047] 將配料后稱量的全部原料進(jìn)行真空感應(yīng)熔煉，得到合金熔體；
[0048] b.本步驟與實施例一相同。
[0049] 經(jīng)過實驗測試，測試結(jié)果表明，本實施例制備的特種鋼基合金材料棒材的室溫拉 伸斷裂強(qiáng)度大于860MPa。本實施例制備的特種鋼基合金材料的力學(xué)和耐蝕性能優(yōu)于傳統(tǒng)的 硼鋼或B4C/A1基復(fù)合材料，可以用作反應(yīng)堆乏燃料貯運用等方面的管料和板材等零部件， 是未來替換傳統(tǒng)的硼鋼或B4C/A1基復(fù)合材料等系列的最佳候選材料，可以大幅度降低原材 料成本。
[0050] 上面對本發(fā)明實施例進(jìn)行了說明，但本發(fā)明不限于上述實施例，還可以根據(jù)本發(fā) 明的發(fā)明創(chuàng)造的目的做出多種變化，凡依據(jù)本發(fā)明技術(shù)方案的精神實質(zhì)和原理下做的改 變、修飾、替代、組合或簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，只要符合本發(fā)明的發(fā)明目的，只要不 背離本發(fā)明反應(yīng)堆乏燃料貯運用特種鋼基合金材料及其制備方法的技術(shù)原理和發(fā)明構(gòu)思， 都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種反應(yīng)堆乏燃料貯運用特種鋼基合金材料，其特征在于，其主要成分按照如下質(zhì) 量百分比（％)組成《0.03%，N$0.02%，S<0.01%，P<0.03%，Mn<1.0%，Cr:10.0~32.0%， A1:3.0~20.0%，B:0.5-5.0%，Ti :0.75-12.5%，其余部分主要為鐵和不可避免的雜質(zhì)，隨B含 量的增加，Ti含量增加，且Ti含量與B含量的質(zhì)量之比滿足Ti:B=(1.5~2.5):1。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述反應(yīng)堆乏燃料貯運用特種鋼基合金材料，其特征在于:其成分還 含有Si和Mo中的至少一種元素，以成分的質(zhì)量百分比(％)計，含量為Si彡3.0%，M〇彡3.0%。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述反應(yīng)堆乏燃料貯運用特種鋼基合金材料，其特征在于:主要成分 按照如下質(zhì)量百分比（％)組成：C: 0.016 ~0·02%，Ν: 0.002 ~0.004%，S: 0.001~0·003%，Ρ: 0.015~0.02%，Mn$1.0%，Cr:18.5~25.6%，Al:5.0~13.0%，B :0.5-5.0%，Ti:0.75-12.5%， Si :0.5~0.8%，其余部分為鐵。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述反應(yīng)堆乏燃料貯運用特種鋼基合金材料，其特征在于:主要成分 按照如下質(zhì)量百分比（％)組成：C: 0.016 ~0·02%，Ν: 0.002 ~0.004%，S: 0.001~0·003%，Ρ: 0 · 015~0 · 02%，Cr: 18 · 5~25 · 6%，Α1:5 · 0~13 · 0%，Β: 2 · 5%，Ti : 5 · 5%，Si : 0 · 5~0 · 8%，其余部 分為鐵。5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述反應(yīng)堆乏燃料貯運用特種鋼基合金材料，其特征在于:主要成分 按照如下質(zhì)量百分比（％)組成：C:0.015 ~0·03%，Ν:0·005 ~(h02%，S:0.001 ~0·01%，Ρ:0·01 ~0·02%，Cr:20·5~22·3%，Α1:6·0~10·3%，Β:2·0-4·5%，Ti:4·2-10·0%，Μ〇:0·7~1·5%，其 余部分為鐵。6. -種反應(yīng)堆乏燃料貯運用特種鋼基合金材料的制備方法，其特征在于，包括如下步 驟： a. 采用真空感應(yīng)熔煉工藝，在原料配料時，主要原料成分按照如下質(zhì)量百分比（％)組 成進(jìn)行原料配料：0 · 03%，N彡0 · 02%，S彡0 · 01%，P彡0 · 03%，Μη彡 1 · 0%，Cr: 10 · 0~32 · 0%， A1:3.0~20.0%，B:0.5-5.0%，Ti :0.75-12.5%，其余原料成分主要為鐵，隨原料中B添加量的 增加，Ti添加量增加，且Ti添加量與B添加量的質(zhì)量之比滿足Ti : B=( 1.5~2.5) : 1，將配料后 稱量的全部原料進(jìn)行真空感應(yīng)熔煉，得到合金熔體； b. 將所述步驟a中制備的合金熔體澆鑄成型，將澆鑄得到的合金鑄錠依次經(jīng)熱鍛、熱 乳和退火熱處理工藝，最終制得反應(yīng)堆乏燃料貯運用特種鋼基合金材料棒材或板材。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述反應(yīng)堆乏燃料貯運用特種鋼基合金材料的制備方法，其特征在 于:在所述步驟a中，原料組成中還添加含有Si和Mo中的至少一種元素，以原料組分的質(zhì)量 百分比（％)計，含量為Si彡3 · 0%，M〇彡3 · 0%。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述反應(yīng)堆乏燃料貯運用特種鋼基合金材料的制備方法，其特征在 于:在所述步驟a中，原料主要成分按照如下質(zhì)量百分比(％)組成:C: 0.016~0.02%，N: 0.002 ~0.004%，S:0.001~0·003%，Ρ:0·015~0·02%，Μη彡1.0%，Cr:18.5~25·6%，Α1:5·0~ 13·0%，Β:0· 5-5.0%，Ti :0.75-12.5%，Si :0.5~0.8%，其余原料成分為鐵。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述反應(yīng)堆乏燃料貯運用特種鋼基合金材料的制備方法，其特征在 于:在所述步驟a中，原料主要成分按照如下質(zhì)量百分比(％)組成:C: 0.016~0.02%，N: 0.002 ~0.004%，S:0.001~0·003%，Ρ:0·015~0.02%，Cr:18.5~25·6%，Α1:5·0~13·0%，Β:2·5%， Ti : 5 · 5%，Si : 0 · 5~0 · 8%，其余原料成分為鐵。10. 根據(jù)權(quán)利要求7所述反應(yīng)堆乏燃料貯運用特種鋼基合金材料的制備方法，其特征在 于:在所述步驟a中，原料主要成分按照如下質(zhì)量百分比(％)組成:C: 0.015~0.03%，Ν: 0.005 ~0.02%，S:0.001~0.01%，P:0.01~0.02%，Cr:20.5~22.3%，Al:6.0~10.3%，B:2.0-4.5%， Ti :4· 2-10·0%，Mo:0· 7~1 · 5%，其余原料成分為鐵。
【文檔編號】C22C38/32GK106086692SQ201610417470
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月13日 公開號201610417470.7, CN 106086692 A, CN 106086692A, CN 201610417470, CN-A-106086692, CN106086692 A, CN106086692A, CN201610417470, CN201610417470.7
【發(fā)明人】肖學(xué)山, 王雷, 武昭妤, 李鈞, 徐裕來, 楊智, 彭偉, 張華偉, 李帥, 洪笑宇
【申請人】上海大學(xué)