[发明专利]一种抗氧化耐液态铅铋腐蚀低活化马氏体耐热钢

说明书

技术领域

本发明属于耐热耐辐照金属材料领域，具体涉及一种适用于聚变堆的抗氧化耐液态铅铋腐蚀(LBE)低活化马氏体钢，可抗强中子辐照，抗高温氧化，且耐液态铅铋共晶腐蚀。

背景技术

随着能源危机的加剧，开发安全、能量密度高的绿色新能源成为人类能源发展的主攻方向。核能(核聚变能和核裂变能)是最有前途的清洁能源。相比于核裂变能，核聚变电站将不会产生碳，而且生成的放射性副产品也比当前的核裂变电站更少，储存方法更简单。由于聚变反应堆中结构件服役时受到高温、应力、中子辐照以及液态金属冷却剂冲刷的共同作用，这要求核聚变反应堆的结构材料件必须同时具备优异的耐高温、抗辐照、抗液态金属腐蚀性能和低活化特点。针对聚变堆中的结构材料的低活化问题，国际普遍采用低活化元素W，V，Ta代替原本裂变堆结构材料中的易活化元素Mo，Ni，Nb。易活化元素Mo，Ni，Nb经中子辐照后产生的感生放射性核素半衰期分别长达44年，7.6万年，2万年。这些经中子辐照产生的长寿命放射性核素为后期的核废料处理带来严峻的挑战。此外，因液态铅铋共晶的高导热性、低熔点、高沸点、低蒸汽压等特性，其被世界各国设计用作聚变反应堆的反应系统回路以及包层的冷却剂，同时由于其优良的中子学特性和抗辐照损伤性能还被设计用作加速器驱动次临界系统的高能中子靶靶材。在聚变反应堆的反应系统中，与液态铅铋直接接触的结构材料中的合金元素部分会溶解于液态铅铋中，导致结构材料表层合金元素含量发生变化，并产生严重的氧化腐蚀；此外，液态铅铋在冷却回路中循环流动，与基体结合力较弱的氧化膜会被冲刷剥落，导致内部的金属持续发生氧化腐蚀。因此要求聚变堆结构材料不仅需具备良好的机械性能、还需在高温下具备良好的组织稳定性、抗氧化性能和耐液态金属腐蚀等综合性能。改性后的9-12％Cr低活化马氏体耐热钢因具备优异的机械性能，高温组织稳定性，以及抗高温氧化性能而成为聚变堆首选材料。T/P91，T/P92作为9-12％铬马氏体耐热钢中较为成熟的钢种，已能够工业化生产，并且广泛应用于超临界与超超临界火电站蒸汽输送管道，且具备良好的抗空气或水蒸气氧化性能，但其耐液态金属腐蚀性能较差，无法应用到聚变堆和ADS加速器驱动次临界堆等系统中。因此，国际上掌握核技术的几个关键国家，如美国、俄罗斯、法国、英国、日本、德国、印度，均在9-12％铬马氏体耐热钢的基础上研发适用于未来聚变堆和ADS加速器驱动次临界堆的新型结构材料，而我国在此类材料的研发领域还处于空白阶段。本发明研究团队在9-12％铬马氏体耐热钢的基础上优化合金成分，并且通过调整合金元素含量和热处理工艺，优化结构材料的组织，从而获得良好的抗液态铅铋腐蚀性能。。

本发明提出了一种适用于聚变堆的耐氧化耐液态铅铋腐蚀(LBE)低活化马氏体耐热钢，其具备优异的机械性能，高温特性，抗辐照脆化特性以及抗液态铅铋腐蚀特性，能够满足核聚变堆面对等离子体的第一壁和ADS加速器驱动次临界堆的散列靶结构材料的使用要求。而在现有技术中，专利文献1(申请号200610085908.2)提供了与本发明相近、同一领域的马氏体结构材料。这种马氏体结构材料尽管具有良好的抗中子辐照性能，但是其并未考虑抗液态铅铋腐蚀的性能。另外，该专利文献中并未提到在马氏体钢中加入0.4-0.8％的Si，提高其抗液态铅铋腐蚀性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于聚变堆的抗氧化耐液态铅铋腐蚀(LBE)低活化马氏体钢，其具有优异的抗高温氧化性能，抗液态铅铋腐蚀性能以及抗中子辐照性能。本发明在专利文献1的基础上，调整C、Mn、Si、Cr等关键元素的含量，通过控制δ铁素体生成的影响因素，获得单一的全马氏体组织，提高强韧性；添加Ta、V等元素实现低活化特性；并采用Ta、V微合金化处理，提高其高温特性；特别是设计并添加合理含量的Si元素以提高耐液态金属腐蚀性能，最终使本发明钢种具有优良的机械性能、高温特性、抗氧化特性和耐液态金属腐蚀性能。因没有类似材料作为参考，本发明所述材料研制的最大难点是其成分体系、热处理工艺和组织控制。根据Cr当量的计算公式，添加Si元素后，马氏体钢的Cr当量变化较大，成分体系变的较为复杂，极易出现δ铁素体。此外，本发明中还提出了用Cr当量来控制合金钢组织的思想，建立了合金钢化学成分和显微组织之间的联系。