CN113430455A - 一种耐液态铅(铅铋)腐蚀的高强度奥氏体不锈钢及其制备方法 - Google Patents
一种耐液态铅(铅铋)腐蚀的高强度奥氏体不锈钢及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种耐液态铅(铅铋)腐蚀的高强度奥氏体不锈钢及其制备方法,属于耐腐蚀合金材料技术领域。该不锈钢化学成分:C≤0.15%;Ni:7.0~11.0%;Cr:13.0~17.0%;Mn:0~2.0%;Si:1.0~4.0%;Nb≤1.0%;余Fe。本发明通过将液态铅(铅铋)溶解倾向高的Ni、Mn元素含量控制在一定水平以下,抑制溶解性腐蚀,同时借助Si元素的添加提高表面形成腐蚀层的致密性,以降低腐蚀层的生长速率,从而提高耐液态铅(铅铋)腐蚀性能。通过奥氏体/铁素体稳定元素含量的平衡设计以保证单一的奥氏体组织,同时借助Nb对C的稳定化以及弥散分布NbC对位错的钉轧,保证了良好的高温力学性能。
Description
技术领域:
本发明涉及耐腐蚀合金材料技术领域,具体涉及一种耐液态铅(铅铋)腐蚀的高强度奥氏体不锈钢及其制备方法。
背景技术:
铅(铅铋)共晶(LBE)合金具有优异的中子学性能、化学惰性、热物理性能、抗辐照性能等优点,被视为四代铅冷快堆冷却剂、ADS***散裂靶及冷却剂的首选材料。高温、流动的液态铅(铅铋)合金会对结构材料产生极强的腐蚀作用,从而对反应堆的安全运行造成危害。奥氏体不锈钢由于其优良的室温和中高温力学性能、耐腐蚀性能、成形性能以及焊接工艺性能,被视为四代快堆反应堆容器和堆内构件的结构材料。然而,奥氏体不锈钢在液态Pb-Bi合金中服役会发生显著的溶解性腐蚀,限制了其在液态铅(铅铋)环境中的使用。这主要是由于Ni元素在液态Pb-Bi中的溶解度高,其溶解度比Fe、Cr等高3个数量级以上。Ni的溶解性腐蚀不仅会造成奥氏体基体力学性能的退化,而且由此引起的表面腐蚀层的破损或剥落从而阻塞流道。因此,基于奥氏体不锈钢的化学成分与微观组织控制以提高耐铅(铅铋)腐蚀性能是亟待解决的问题。
发明内容:
针对液态铅(铅铋)环境用奥氏体不锈钢的需求,本发明的目的是提供一种耐液态铅(铅铋)腐蚀的高强度奥氏体不锈钢及其制备方法,在提高耐液态铅(铅铋)腐蚀性能的同时,具有良好的高温力学性能。
为了实现上述目的,本发明的技术方案如下:
一种耐液态铅(铅铋)腐蚀的高强度奥氏体不锈钢,按重量百分比计,其化学成分如下:
C≤0.15%;Ni:7.0~11.0%;Cr:13.0~17.0%;Mn:0~2.0%;Si:1.0~4.0%;Nb≤1.0%;Fe及不可避免的残余元素为余量。
按重量百分比计,该合金优选的化学成分如下:
C:0.08~0.12%;Ni:8.0~10.0%;Cr:14.0~16.0%;Mn:0.4~0.8%;Si:2.2~3.0%;Nb:0.7~1.0%;;Fe及不可避免的残余元素为余量。
所述不可避免的残余元素包括:S含量控制在≤0.015wt.%,P含量控制在≤0.02wt.%。
根据公式(1)控制该不锈钢中铁素体/奥氏体稳定元素含量的平衡,公式(1)中的元素符号表示该元素的重量百分比;
该不锈钢按重量百分比计的化学成分中,Nb/C≥8。
所述耐液态铅(铅铋)腐蚀的高强度奥氏体不锈钢的制备方法为:首先按照合金成分配比称取原材料进行熔炼,并浇铸成铸锭;然后将铸锭进行锻造和轧制;最后将轧制后的板材进行热处理。
所述的熔炼方法为:电炉冶炼,或其他相当或更好的冶炼方法。
所述的锻造工艺为:铸锭在1100~1250℃保温1h以上进行开坯锻造,终锻温度在900℃以上。
所述的轧制工艺为:锻坯在1100~1250℃保温1h以上进行轧制,终锻温度在900℃以上,轧制变形量应控制在60%以上。
所述的热处理制度如下:
(1)在1050~1150℃进行固溶处理,保温30~60min后水冷至室温;
(2)在850~900℃进行稳定化处理,保温1~3h,空冷至室温。
本发明的设计思想如下:
本发明通过控制材料中液态铅(铅铋)溶解倾向高的Ni、Mn元素含量,以抑制溶解性腐蚀,同时借助Si元素的添加提高表面形成腐蚀层的致密性,以降低腐蚀层的生长速率,从而提高了耐液态铅(铅铋)腐蚀性能。在此基础上,通过奥氏体/铁素体稳定元素含量的平衡设计以保证单一的奥氏体组织,同时借助Nb对C的稳定化以及弥散分布NbC对位错的钉轧,保证了良好的高温力学性能。
本发明的优点及有益效果在于:
1、本发明的耐液态铅(铅铋)腐蚀的高强度奥氏体不锈钢,是在现有核电用奥氏体不锈钢的基础上提出新的合金设计方案,可同时满足对高强韧性、耐高温、耐液态铅(铅铋)腐蚀的性能要求。
2、本发明的耐液态铅(铅铋)腐蚀的高强度奥氏体不锈钢具有良好的耐液态铅(铅铋)腐蚀性能,550℃液态铅(铅铋)中的腐蚀速率显著低于316系列奥氏体不锈钢。
3、本发明的耐液态铅(铅铋)腐蚀的高强度奥氏体不锈钢,室温下的屈服强度大于250MPa,抗拉强度大于800MPa,延伸率大于40.0%,室温强度高于316系列奥氏体不锈钢。
4、本发明的耐液态铅(铅铋)腐蚀的高强度奥氏体不锈钢,550℃下的屈服强度大于165MPa,抗拉强度大于395MPa,延伸率大于30.0%,高温强度高于316系列奥氏体不锈钢。
5、本发明合金的制备方法简单,容易操作,便于工业化生产。
6、本发明合金的化学成分可推广应用于高性能铸件、锻件、管材的生产。
附图说明:
图1为实施例1制备耐液态铅(铅铋)腐蚀的高强度奥氏体不锈钢的金相照片。
图2为实施例1制备耐液态铅(铅铋)腐蚀的高强度奥氏体不锈钢在550℃饱和氧浓度液态铅(铅铋)中腐蚀1000h后的截面形貌照片(扫描电镜观察4000倍)。
图3为对比例316H奥氏体不锈钢在550℃饱和氧浓度液态铅(铅铋)中腐蚀1000h后的截面形貌照片(扫描电镜观察3000倍)。
具体实施方式:
下面通过实施例对本发明所述一种耐液态铅(铅铋)腐蚀的高强度奥氏体不锈钢及其制备方法予以进一步的说明。
实施例1:
采用真空感应炉熔炼合金,随后浇铸成铸锭,熔炼的5炉合金化学成分如表1所示。铸锭经表面扒皮处理后,锻造、轧制成板材,最后将板材进行热处理。具体的制备工艺步骤如下:
1)熔炼:按照合金成分配比称取原材料,将配制的原料装入真空感应熔炼炉的坩埚中,在真空感应炉中熔炼,并浇铸成铸锭,待铸锭完全凝固后,开模取出;
2)锻造:将铸锭加热至1150℃,保温2h,迅速放置在锤锻机上锻造成板坯,然后空冷至室温,终锻温度在900℃以上。
3)轧制:将锻造后的板材加热至1150℃,保温2h,在二辊热轧机进行轧制成板材,然后空冷至室温,终轧温度在900℃以上。
4)热处理:将轧制后的板材进行固溶处理,在1100℃保温60min,水冷至室温;然后在900℃保温2h,空冷至室温。
制备板材的金相组织见图1,从图中可以看出,组织为单相奥氏体组织,基体中弥散分布着细小的NbC颗粒。
经550℃饱和氧浓度液态铅(铅铋)中腐蚀1000h后的截面形貌见图2,可见,本发明不锈钢表面生成了约10μm厚的腐蚀层。相同腐蚀条件,316H不锈钢表面形成了约28μm厚的腐蚀层(图3)。本发明不锈钢在液态铅(铅铋)中的腐蚀速率显著优于316H不锈钢。
经拉伸性能测试,室温下的屈服强度大于250MPa,抗拉强度大于800MPa,延伸率大于40.0%;550℃时的屈服强度大于165MPa,抗拉强度大于395MPa,延伸率大于30.0%。本发明不锈钢在室温和高温下的拉伸强度高于316H奥氏体不锈钢(见表2)。
表1合金化学成分(wt.%)
C | Si | Nb | Ni | Cr | Mn | P | S | |
实施例1 | 0.088 | 2.52 | 0.94 | 9.07 | 15.04 | 0.61 | 0.007 | 0.0021 |
实施例2 | 0.12 | 2.54 | 0.82 | 9.12 | 15.18 | 0.61 | 0.006 | 0.0021 |
实施例3 | 0.11 | 2.21 | 0.90 | 9.07 | 15.11 | 0.61 | 0.006 | 0.0022 |
实施例4 | 0.11 | 2.81 | 0.79 | 9.02 | 15.10 | 0.61 | 0.007 | 0.0021 |
实施例5 | 0.11 | 2.62 | 0.93 | 8.96 | 15.1 | 0.61 | 0.011 | 0.0024 |
表2本发明合金与316H不锈钢的拉伸性能比较
实施例结果表明,本发明不锈钢的耐铅(铅铋)腐蚀性能和高温强度均高于现有核电用奥氏体不锈钢,可同时满足对高强韧性、耐高温、耐液态铅(铅铋)腐蚀的性能要求,可作为铅(铅铋)冷却核能***的结构材料。
Claims (9)
1.一种耐液态铅(铅铋)腐蚀的高强度奥氏体不锈钢,其特征在于:按重量百分比计,该不锈钢的化学成分如下:
C≤0.15%;Ni:7.0~11.0%;Cr:13.0~17.0%;Mn:0~2.0%;Si:1.0~4.0%;Nb≤1.0%;余量为Fe及不可避免的残余元素。
2.按照权利要求1所述的耐液态铅(铅铋)腐蚀的高强度奥氏体不锈钢,其特征在于:按重量百分比计,该不锈钢的化学成分如下:
C:0.08~0.12%;Ni:8.0~10.0%;Cr:14.0~16.0%;Mn:0.4~0.8%;Si:2.2~3.0%;Nb:0.7~1.0%;余量为Fe及不可避免的残余元素。
3.按照权利要求1或2所述的耐液态铅(铅铋)腐蚀的高强度奥氏体不锈钢,其特征在于:该不锈钢中不可避免的残余元素包括:S含量≤0.015wt.%,P含量≤0.020wt.%。
5.按照权利要求1或2所述的耐液态铅(铅铋)腐蚀的高强度奥氏体不锈钢,其特征在于:该不锈钢按重量百分比计的化学成分中,Nb/C≥8。
6.按照权利要求1所述的耐液态铅(铅铋)腐蚀的高强度奥氏体不锈钢的制备方法,其特征在于:首先按照合金成分配比称取原材料进行熔炼,并浇铸成铸锭;然后将铸锭进行锻造和轧制;最后将轧制后的板材进行热处理;其中:所述锻造工艺为:铸锭在1100~1250℃保温1h以上进行开坯锻造,终锻温度在900℃以上;所述轧制工艺为:在1100~1250℃保温1h以上进行轧制,终轧温度在900℃以上,轧制变形量应控制在60%以上。
7.按照权利要求6所述的耐液态铅(铅铋)腐蚀的高强度奥氏体不锈钢的制备方法,其特征在于:合金冶炼采用电炉冶炼,或其他相当或更好的冶炼方法。
8.按照权利要求6所述的耐液态铅(铅铋)腐蚀的高强度奥氏体不锈钢的制备方法,其特征在于:所述热处理制度如下:
(1)在1050~1150℃进行固溶处理,保温30~60min后水冷至室温;
(2)在850~900℃进行稳定化处理,保温1~3h,空冷至室温。
9.按照权利要求6所述的耐液态铅(铅铋)腐蚀的高强度奥氏体不锈钢的制备方法,其特征在于:热处理后,该不锈钢室温条件下的屈服强度大于250MPa,抗拉强度大于800MPa,延伸率大于40.0%;550℃时的屈服强度大于165MPa,抗拉强度大于395MPa,延伸率大于30.0%。
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