[发明专利]高温用耐液态金属腐蚀马氏体结构材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于高温用马氏体结构材料领域，具体涉及一种高温下具有良好蠕变性能、抗氧化性能、耐液态金属腐蚀性能的马氏体结构材料及其制备方法，特别涉及一种高温用耐液态金属腐蚀马氏体结构材料及制备方法，该结构材料主要是应用于核能领域的新型结构材料。

背景技术

随着核电技术、原子能技术等重要工业的发展，液态金属因其良好的导热性能而被用作核反应堆冷却剂，如快中子堆、未来核聚变第一壁包层以及加速器驱动嬗变系统等。液态铅铋共晶合金由于其具有低熔点（125℃）、高沸点（1670℃）、良好的中子学特性以及优良的抗辐照损伤能力和导热性能，不仅是国际上先进核反应系统设计的首选冷却剂，而且被建议作为散裂中子源的靶材。但是液态铅铋的使用对与之接触的结构材料将产生严重的腐蚀。因此其结构材料需要具有良好的综合性能即优良的高温性能和优良的抗氧化、耐液态金属腐蚀性能。

目前，在液态铅铋冷却的核反应系统中，有若干种候选先进结构材料，如T91、HT9、316L以及EP823等，其中最为突出的为美国的T91和俄罗斯的EP823。T91是为更高蒸汽参数发电机组设计研发的高温部件耐热钢，其热强性好、蠕变持久强度性能优异，但是由于铬含量为9%，在液态金属中大量的腐蚀实验表明，T91产生严重的氧化腐蚀，不能满足高温下的抗液态金属腐蚀性能的要求。EP823是俄罗斯开发专用于重金属反应堆的结构材料，其抗液态金属腐蚀性能优异，但是其铬当量偏高，为马氏体与10%的δ铁素体双相组织，其冲击韧性差，蠕变持久性能低，不能满足高温条件下抗蠕变性能的要求。因此核聚变、先进核裂变堆等未来核能系统关键部位的材料问题成为国际上的难题，国际上的核大国均在探索研究同时具有良好高温蠕变性能、抗辐照和抗液态金属腐蚀性能的结构材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种综合性能优良的耐高温耐液态金属腐蚀马氏体结构材料，同时该材料还具有优良高温蠕变性能。

本发明的设计思想为：在国外马氏体结构材料的基础之上，通过新的成分设计和大量的实验，提出了一种具有优良耐液态金属腐蚀性能的马氏体结构材料，通过设计与优化成分，调整C和Mn含量，使钢中δ铁素体含量低于5%，获得高温回火马氏体组织，保证钢的良好韧性和高温蠕变性能。

通过添加较高含量的铬和硅，生成致密的富铬和硅的氧化层，保证钢的抗氧化性能和耐液态金属腐蚀性能。

该结构钢微观组织为马氏体组织，马氏体组织具有良好的强度与韧塑性匹配，并且在高温下具备有良好的蠕变性能。

以上成分设计是材料具备良好的综合性能的基础，即良好的高温性能，如高的常规力学性能和蠕变性能、良好的抗氧化和耐液态金属腐蚀性能。

本发明的技术方案是：

一种高温用耐液态金属腐蚀马氏体结构材料，其化学成份（重量百分比）为：C：0.10~0.35%，Cr：10.0~12.0%，W：1.0~2.0%，Mn：≤1.0%，Si：1.0~2.0%，Ta+Nb≤0.45%（Ta和Nb的含量不同时为0），V：≤0.3％，余量为铁。

所述马氏体结构材料中：P＜0.007wt.％，S＜0.006wt.％，Cu＜0.01wt.％，Ti<0.010wt.％，Al<0.010wt.％，Co<0.005wt.%。

所述马氏体结构材料组织中δ铁素体含量低于5%，其在饱和氧浓度的液态金属腐蚀环境下生成富铬和硅的致密氧化层。

上述马氏体结构材料的制备方法，包括如下步骤：

（1）按所述比例将各化学成分混合，经过冶炼和浇注获得耐热钢钢锭；

（2）将获得的钢锭在奥氏体单相区锻造：锻造温度1100~1200℃，锻比为6~8，锻后空冷至室温；

（3）锻造后的钢锭进行控制轧制：首先在再结晶区初轧：初轧温度为1050~1200℃；然后在部分再结晶区待温；最后在未再结晶区终轧：终轧温度为850～900℃；轧制每道次压下量控制为20~25%，总压下量控制为80~90%，轧后空冷。

（4）控制轧制后的热处理工艺：首先在1030~1100℃保温30~60min后空冷，然后在750~780℃保温90~120min后空冷。

本发明中元素含量范围说明如下：