CN118028701A - 抗氢脆奥氏体不锈钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抗氢脆奥氏体不锈钢及其制备方法，其按质量百分比计，包括以下成分：C：0.06~0.08%，N：<0.005%，Si：0.5~0.6%，Mn：0.95~1.05%，Cr：18~19%，Ni：10~11%，Ti：0.2~0.4%，Y：0.005~0.01%，Nb：0.1~0.3%，以及余量的Fe和不可避免的杂质；其中，所述抗氢脆奥氏体不锈钢通过添加Y和Nb复合微合金化，以在所述抗氢脆奥氏体不锈钢内界面形成不可逆氢陷阱。本发明提供的抗氢脆奥氏体不锈钢及其制备方法，充分利用大尺寸原子的稀土Y和强碳化物形成元素Nb实施复合微合金化，通过对微米和亚微米级夹杂物、纳米级碳化物进行改性和尺寸分布优化，改变其与基体的界面特性，形成深度内界面不可逆氢陷阱来提高奥氏体基不锈钢的抗氢脆性能。

Description

抗氢脆奥氏体不锈钢及其制备方法

技术领域

本发明属于合金材料技术领域，具体涉及一种抗氢脆奥氏体不锈钢及其制备方法。

背景技术

随着全球对于清洁能源的需求日益增加，开发氢能资源作为一种清洁、可再生的能源方式，已经成为实现可持续发展的重要战略方向。氢能作为一种高效的能源载体，在石油化工、天然气处理、核能发电、航空和航天等多个重要领域有着广泛的应用前景。然而，在这些工程***中，氢脆现象是导致关键工程部件提前失效和断裂的主要原因之一，这大大限制了氢能技术的应用和发展。

氢脆是指材料在氢环境中，由于氢原子的侵入和扩散，导致材料脆性增加、强度下降，最终引起材料的断裂。这一现象在高氢压、高温度以及高氢浓度环境下尤为严重。在这些条件下，即便是具有良好机械性能和耐腐蚀性能的材料，也可能因为氢脆而导致结构失效，带来安全隐患。

奥氏体不锈钢，因其独特的化学成分和微观结构，展现出优异的强度和耐腐蚀性能，被广泛应用于上述提到的领域。相比较于铁素体和马氏体不锈钢，奥氏体不锈钢具有较低的氢扩散系数，这意味着在相同条件下，氢原子在奥氏体不锈钢中的扩散速率较低，理论上具有更好的抗氢脆能力。

然而，尽管奥氏体不锈钢因其单相奥氏体基体结构而具有低氢扩散速率的特点，但在实际应用中，特别是在高温、高压以及高氢浓度的严苛环境下，研究表明，奥氏体不锈钢仍然会遭受氢塑性损失，即材料在氢环境中的塑性变形能力下降，进而影响材料的使用性能和安全性。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种新的解决方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种抗氢脆奥氏体不锈钢及其制备方法，其能够提高奥氏体基不锈钢的抗氢脆性能，该奥氏体基不锈钢可用于高温环境下反应器、加热器等，尤其适用于富氢环境下的特种装备材料。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：

第一方面，本发明提供了一种抗氢脆奥氏体不锈钢，其按质量百分比计，包括以下成分：

C：0.06~0.08%，N：<0.005%，Si：0.5~0.6%，Mn：0.95~1.05%，Cr：18~19%， Ni：10~11%，Ti：0.2~0.4%，Y：0.005~0.01%，Nb：0.1~0.3%，以及余量的Fe和不可避免的杂质；其中，所述抗氢脆奥氏体不锈钢通过添加Y和Nb复合微合金化，以在所述抗氢脆奥氏体不锈钢内界面形成不可逆氢陷阱。

在一个或多个实施方式中，所述抗氢脆奥氏体不锈钢中Y的添加量为0.008～0.01%，Nb的添加量为0.15～0.25%。

在一个或多个实施方式中，所述抗氢脆奥氏体不锈钢中δ铁素体含量小于5%，奥氏体晶界中孪晶界的占比大于40%。

在一个或多个实施方式中，所述抗氢脆奥氏体不锈钢中TiN析出相趋于球形。

在一个或多个实施方式中，所述抗氢脆奥氏体不锈钢中奥氏体基体晶粒尺寸介于15~40μm之间。

在一个或多个实施方式中，所述抗氢脆奥氏体不锈钢室温下的氢脆敏感性系数小于20%，300~700℃水蒸气环境下的氢脆敏感性系数小于15%。

第二方面，本发明提供了一种抗氢脆奥氏体不锈钢的制备方法，其包括：

按如前所述的抗氢脆奥氏体不锈钢的成分设计进行配料；将配好的原料进行熔炼和铸造，得到连铸坯；将连铸坯进行热轧，得到热轧态合金；将热轧态合金进行固溶热处理，得到抗氢脆奥氏体不锈钢。

在一个或多个实施方式中，将配好的原料进行熔炼和铸造，具体包括：

将配好的原料依次进行转炉熔炼、炉外精炼、真空脱气和连续铸造。

在一个或多个实施方式中，所述炉外精炼的方式为：

精炼过程中先喂入钙线，再进行底吹氩气5s，再同步底吹氩气和喂入钇铌中间合金线10s，最后底吹氩气5~8s。

在一个或多个实施方式中，所述固溶热处理的条件包括：固溶温度为1080~1120℃，保温时间为28~35min，冷却速率大于70℃/s。

与现有技术相比，本发明提供的抗氢脆奥氏体不锈钢及其制备方法，基于微合金钢中内界面氢陷阱调控的基础理论，充分利用大尺寸原子的稀土Y和强碳化物形成元素Nb实施复合微合金化，通过对微米和亚微米级夹杂物、纳米级碳化物进行改性和尺寸分布优化，改变其与基体的界面特性，形成深度内界面不可逆氢陷阱来调控富钛奥氏体基不锈钢的抗氢脆行为；同时，结合大原子点阵畸变引起的位错氢陷阱和孪晶界有利氢陷阱，协同调控奥氏体基不锈钢的氢扩散和渗透行为，从而整体提高奥氏体基不锈钢的抗氢脆性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例中抗氢脆奥氏体不锈钢的制备方法的流程图；

图2为本发明实施例1制得的不锈钢的奥氏体基体的晶界特征分布；

图3为本发明对比例1制得的不锈钢的奥氏体基体的晶界特征分布；

图4为本发明实施例1制得的不锈钢中TiN析出相的形貌图；

图5为本发明对比例1制得的不锈钢中TiN析出相的形貌图；

图6为本发明实施例1和对比例1制得的不锈钢的XRD分析结果图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，以下的说明中，表示量的“%”只要无特别说明，则为重量基准。除非另外指明，否则本说明书和权利要求中使用的表示特征尺寸、数量和物理特性的所有数字均应该理解为在所有情况下均是由术语“约”来修饰的。因此，除非有相反的说明，否则上述说明书和所附权利要求书中列出的数值参数均是近似值，本领域的技术人员能够利用本文所公开的教导内容寻求获得的所需特性，适当改变这些近似值。用端点表示的数值范围的使用包括该范围内的所有数字以及该范围内的任何范围，例如，1至5包括1、1.2、1.4、1.55、2、2.75、3、3.81、4和5等等。

在临氢环境下，晶格扩散和陷阱效应是氢在金属中运动的主要方式，晶格扩散主要受化学梯度诱导，因此，局域元素偏析、位错组态与分布是调控氢扩散的关键因素。对于多元复合微合金化的不锈钢，Cr、Ni、Mn等元素偏析，第二相粒子析出以及不同类型的晶界特征等均是形成氢陷阱的主要诱因，这些氢陷阱极易导致不锈钢在服役过程中的氢脆。

对于奥氏体基不锈钢，可以采用添加Ti来减轻Cr的晶间偏聚，同时通过在高温环境下形成较稳定的TiN、TiC等析出相从而减小后续服役过程中敏化的不利影响。然而，发明人发现，Ti元素的添加，使不锈钢在凝固过程中易形成大尺寸（>100μm）方形TiN以及尺寸较大（10~100μm）析出相，在该类析出相的周围极易形成较大的应力集中区，一旦在氢环境下使用，易导致氢致开裂发生。此外，亚稳态的奥氏体基不锈钢具有明显的相变诱发塑性特征（TRIP效应），相变形成的α'-马氏体也易作为氢致裂纹的形核点，降低不锈钢的抗氢脆敏感性。

针对奥氏体不锈钢，控制氢脆的主要策略是提高奥氏体的稳定性，以确保其在低的氢扩散系数下，同时提升奥氏体晶界抗氢脆性能，减少应变诱发马氏体相变对氢脆的不利影响。通过添加Ni、Mn，以及增N的方式均可以起到稳定奥氏体的作用，还可增加Cr以形成含Cr氧化膜防止环境氢的进入。如采用增N来替代C，一方面可减少碳化物析出所导致的晶间贫铬，另一方面又能提高奥氏体基体的稳定性。在此基础上通过Nb、V来提高合金的整体强度，抑制晶间腐蚀。除了从成分设计外，在工艺上为了减少和避免服役过程中可能发生的马氏体相变，可以通过改变固溶温度，冷却速率等方式，还可以采用预应变工艺让残余奥氏体先发生相变，减少减缓不锈钢在服役过程中亚稳态奥氏体的相变，从而提升抗氢脆性能。

然而，前述方法通常在未加Ti的不锈钢系列中进行实施，对于富Ti的奥氏体不锈钢中存在的大尺寸析出相并不适用。同时，增加预变形工艺，进一步使得制备流程加长，成本增加。

基于上述认识，本发明的技术实现思路主要集中在通过材料微观结构和化学成分的优化，微合金钢中内界面氢陷阱调控的基础理论，来提高奥氏体不锈钢的抗氢脆性能。具体而言，本发明采用了一种复合微合金化的策略，通过添加稀土元素钇(Y)和铌(Nb)，利用这两种元素在钢中形成特定尺寸的夹杂物及碳化物，以及引起的点阵畸变，从而在材料内部形成不可逆的氢陷阱。这些氢陷阱能够有效捕获和固定氢原子，减少氢在材料内部的迁移，从而显著提高材料的抗氢脆性能。

此外，本发明还通过改性和尺寸分布优化这些夹杂物和碳化物，改善其与基体的界面特性，以及通过协同作用的方式，增强孪晶界和位错等微观结构对氢陷阱的贡献，进一步提升奥氏体不锈钢的整体抗氢脆能力。

本发明一实施方式中的抗氢脆奥氏体不锈钢，其按质量百分比计，包括以下成分：C：0.06~0.08%，N：<0.005%，Si：0.5~0.6%，Mn：0.95~1.05%，Cr：18~19%， Ni：10~11%，Ti：0.2~0.4%，Y：0.005~0.01%，Nb：0.1~0.3%，以及余量的Fe和不可避免的杂质。其中，该抗氢脆奥氏体不锈钢通过添加Y和Nb复合微合金化，以在抗氢脆奥氏体不锈钢内界面形成不可逆氢陷阱。

通过Y和Nb的复合添加，本发明利用了这两种元素在钢中形成微米和亚微米级夹杂物及纳米级碳化物的能力。这些特定尺寸的夹杂物和碳化物在钢的微观结构中，能够作为氢原子的陷阱，有效阻碍氢的扩散。不同于普通的氢陷阱，这些基于Y和Nb的内界面陷阱被设计为不可逆陷阱，能够在更长时间内稳定捕获氢原子，减少氢在材料内部的移动，从而大幅降低氢脆的风险。

Y和Nb作为大原子半径元素，其加入会引起晶格点阵的畸变。这种畸变不仅促进了位错和孪晶界的形成，而且在位错处形成了有利的氢陷阱。同时，孪晶界的存在进一步增加了氢陷阱的种类和数量，共同作用形成了一个复杂的氢陷阱网络。这个网络能够在多个层面捕获和固定氢原子，减少氢原子在材料中的有效扩散。

钇(Y)可以改善钢中的纯净度，优化夹杂物的形态和分布。钇还能形成特殊的氧化物和硫化物，这些夹杂物可作为形核点，促进有益第二相粒子（如碳化物）的形成，同时也能够作为氢的陷阱，减少氢在钢中的有效扩散。铌(Nb)是一种强碳化物形成元素，能够在钢中形成稳定的微米级和亚微米级的碳化铌颗粒，这些颗粒不仅可以提供强化效果，还能减缓氢在材料中的扩散。

在复合微合金化中，钇和铌的添加不是简单的相加效应，而是它们之间存在协同作用，这种协同效应能够更有效地改善钢的性能。例如，钇的添加可以优化铌碳化物的分布和形态，使其更加有利于抗氢脆性能的提高。通过这种复合添加，不仅可以有效调控奥氏体不锈钢的微观结构，还能在钢中形成深度内界面不可逆氢陷阱，极大地提升材料的抗氢脆能力，可用于高温环境下反应器、加热器等，尤其适用于富氢环境下的特种装备材料。

具体来说，稀土元素Y能够在钢中形成特定的夹杂物，如氧化物和硫化物，这些夹杂物不仅能作为形核点促进有益第二相粒子的形成，还能直接作为氢陷阱。Nb形成的微米级和亚微米级的碳化铌颗粒能够稳定存在于钢的基体中，这些颗粒既能提供强化效果，又能通过其与钢基体之间的界面作为氢陷阱，降低氢的有效扩散率。复合微合金化通过这些机制，不仅优化了钢的微观结构和化学组成，而且在钢中形成了深度内界面不可逆氢陷阱。

在本实施例中，抗氢脆奥氏体不锈钢中Y的添加量为0.005～0.01%，Nb的添加量为0.1～0.3%。

需要说明的是，如果Y或Nb的添加量超过了上述范围的上限，夹杂物和碳化物的过量会影响钢的塑性和韧性，使材料更容易发生断裂。而且合金成本会因为过量添加昂贵的合金元素而显著增加。此外，过量的Y和Nb还可能导致合金中出现不希望的相，这些相可能会降低材料的腐蚀抗性和其他性能。

如果Y或Nb的添加量低于建议范围的下限，那么所形成的氢陷阱可能不足以有效捕获足够的氢原子，不能充分发挥抑制氢扩散和氢脆的作用。这样，材料在高氢环境中的抗氢脆性能会大打折扣，无法满足设计目的。

优选地，抗氢脆奥氏体不锈钢中Y的添加量为0.008～0.01%，Nb的添加量为0.15～0.25%。

一示例性的实施例中，抗氢脆奥氏体不锈钢中δ铁素体含量小于5%，奥氏体晶界中孪晶界的占比大于45%。

需要说明的是，δ铁素体是一种体心立方结构的铁相，其在奥氏体不锈钢中的存在通常与材料的成分和冷却速率有关。虽然少量的δ铁素体可以提高材料的强度和韧性，但是过多的δ铁素体含量会降低奥氏体不锈钢的耐蚀性能，尤其是在含氢环境下，δ铁素体可能成为氢扩散的快速通道，从而加剧氢脆的风险。因此，控制δ铁素体含量在小于5%可以确保材料保持良好的奥氏体基体特性，同时限制氢在材料内的扩散，提高其抗氢脆性能。

如果δ铁素体含量超过5%，其过多的体心立方相可能导致材料整体耐蚀性下降，尤其是在含氢环境中，增加了氢扩散的通道，从而提高了氢脆的风险。此外，δ铁素体的增多可能会影响材料的均匀性，导致性能在不同区域出现差异，影响材料的整体可靠性。

孪晶界是一种特殊类型的晶界，具有较高的原子配位完整性，因此比其他类型的晶界具有更高的强度和稳定性。在奥氏体不锈钢中，较高比例的孪晶界可以有效地阻挡裂纹的扩展，增强材料的塑性变形能力，提高材料在含氢环境中的抵抗力。此外，孪晶界也能作为氢陷阱，捕获氢原子，减少氢在晶格中的自由扩散。因此，设计奥氏体晶界中孪晶界的占比大于45%，旨在通过提高材料的内在韧性和减少氢的有效扩散，来增强其抗氢脆性能。

若奥氏体晶界中孪晶界的占比小于45%，则意味着材料中其他类型晶界（如大角度晶界）的比例相对增高，这可能降低材料的整体抗裂性和抗氢脆能力。较低的孪晶界占比会减少材料内部抵抗裂纹扩展的能力，同时也减少了捕获和固定氢原子的氢陷阱数量，使得氢原子更易在材料内扩散，从而加剧氢脆现象。

一示例性的实施例中，抗氢脆奥氏体不锈钢中TiN析出相趋于球形。在材料科学中，尖锐的角度或不规则的形状易于成为应力集中的区域，这在含氢环境下尤为危险，因为它可能促进氢原子的聚集和裂纹的形成。球形析出相相较于棱角分明的形态，如方形或棒状，能够显著减少应力集中现象，从而减少氢致裂纹的形成几率。

一示例性的实施例中，抗氢脆奥氏体不锈钢中奥氏体基体晶粒尺寸介于15~40μm之间。根据霍尔-佩奇(Hall-Petch)关系，晶粒细化可以有效提高材料的屈服强度和硬度。在15~40μm的晶粒尺寸范围内，奥氏体不锈钢能够维持较好的强度和韧性平衡。这有助于提高材料在承受外部载荷时的抵抗裂纹扩展的能力，尤其是在含氢环境下。

适中的晶粒尺寸有助于控制氢在材料内的扩散行为。太大的晶粒可能会导致氢扩散速率过快，而太小的晶粒则可能过度增加氢的陷阱密度，从而影响材料的整体性能。15~40μm的晶粒尺寸能够在提供足够的氢陷阱以减缓氢扩散的同时，避免因过度细化导致的性能下降。

一示例性的实施例中，抗氢脆奥氏体不锈钢室温下的氢脆敏感性系数小于20%，300~700℃水蒸气环境下的氢脆敏感性系数小于15%。

请参照图1所示，本发明一实施方式中提供了前述抗氢脆奥氏体不锈钢的制备方法，其包括以下步骤：

S101：按抗氢脆奥氏体不锈钢的成分设计进行配料。

根据抗氢脆奥氏体不锈钢的设计要求，进行详细的成分计算。这包括确定每种元素的质量百分比，特别是关键元素如钇(Y)、铌(Nb)、以及碳(C)、氮(N)等的精确含量。根据成分计算的结果，选择合适的原材料。这些原材料可能包括铁、镍、铬、钼等金属，以及用于调整合金成分的合金添加剂和微量元素。

将选定的原材料按照计算得出的比例称量，确保每种元素的添加量准确无误。对于一些难以直接添加的元素，如Y和Nb，可以以预先制备的合金或化合物形式添加。

S102：将配好的原料进行熔炼和铸造，得到连铸坯。

在步骤S102中，配好的原料首先被放入炉中进行熔炼。熔炼是一个高温过程，其目的是将固态原料转化为液态金属，同时去除杂质和气体。熔炼后的液态金属需要进行适当的处理，如脱氧和合金化，以确保金属的质量。接着，液态金属被铸造成连铸坯，通过连续铸造机将液态金属凝固成固态坯料。

一示例性的实施例中，将配好的原料依次进行转炉熔炼、炉外精炼、真空脱气和连续铸造，得到连铸坯。

转炉熔炼是利用高温将固态的原料完全熔化成液态的过程。在这个阶段，可以通过向熔炉中加入适量的氧气来去除杂质，如硫和磷，从而提高钢的纯度。炉外精炼是在熔炼完成后，将熔融钢液转移到另一个容器中进行进一步净化和成分调整的过程。在这个阶段，可以通过喂入合金、调整温度和化学成分来精确控制合金的最终成分。真空脱气是将熔融钢液置于真空环境下，利用真空的低压环境促使钢液中的气体杂质（如氢、氧、氮）逸出的过程。连续铸造是将净化和成分调整后的熔融钢液直接铸造成预定形状的连铸坯的过程。该过程通常涉及将钢液倒入铸造模具中，并通过冷却***控制冷却速率，使其凝固成坯料。

具体的，炉外精炼的方式为：精炼过程中先喂入钙线，再进行底吹氩气5s，再同步底吹氩气和喂入钇铌中间合金线10s，最后底吹氩气5~8s。

钙线的喂入主要目的是为了去除钢液中的硫等杂质，同时钙还能够与钢中的氧形成稳定的氧化物，从而减少钢中的夹杂物。钙处理也有助于改善钢的铸造性能和减少气泡的形成。

氩气是一种惰性气体，底吹氩气可以有效搅拌钢液，促进钢液中化学成分的均匀，同时也有助于去除钢液中的气体杂质，如氢和氮。底吹氩气的过程中，氩气的惰性特性确保了不会与钢液发生化学反应，从而保持钢液的化学成分稳定。

钇和铌的添加是为了通过复合微合金化策略提高钢的抗氢脆性能。通过喂入钇铌中间合金线，可以精确控制这两种元素在钢中的含量，同时促进钇和铌在钢中均匀分布。同步底吹氩气可以促进中间合金线中钇铌的快速溶解和分散。

氩气喂入的时间控制是基于实现最佳搅拌效果和成本效率的考虑。过短的氩气喂入时间可能无法充分搅拌钢液，而过长的氩气喂入则可能增加成本。因此，通过实验和实践总结出的5秒初次底吹、10秒同步喂合金线和底吹、以及5~8秒的最后底吹时间，是为了确保钢液搅拌充分且经济有效。

S103：将连铸坯进行热轧，得到热轧态合金。

具体的，将连铸坯加热至适合热轧的温度范围，通常在1000°C以上。加热的目的是减少材料的硬度，提高其塑性，便于轧制。加热后的连铸坯经过轧机，通过多次压下，逐步减小厚度，增加长度。轧制过程中可以通过调整轧制参数（如轧制速度、轧制温度、压下量等）来控制产品的最终形状和尺寸。热轧产品在完成轧制后需要进行冷却，以降低温度并通过控制冷却速率来影响材料的微观结构和性能。

S104：将热轧态合金进行固溶热处理，得到抗氢脆奥氏体不锈钢。

具体的，将热轧态合金加热至预定的固溶温度，通常在奥氏体不锈钢的情况下，这个温度范围在1000°C到1200°C之间。这一步骤的目的是确保合金中的所有元素，特别是碳和其他合金元素，完全溶解进奥氏体基体中。在达到固溶温度后，需要在此温度下保持一段时间（通常为几分钟到几小时），以确保合金成分的完全均匀化。固溶处理后的合金需要通过水淬或空冷的方式快速冷却到室温，以防止析出相的形成，确保合金成分在基体中保持固溶状态，同时细化晶粒，增强材料性能。

优选地，固溶热处理的条件包括：固溶温度为1080~1120℃，保温时间为28~35min，冷却速率大于70℃/s。

在固溶温度为1080~1120℃温度范围内，可以确保合金中的所有成分，尤其是碳和合金化元素如铬、镍等，能够完全溶解进奥氏体基体中。这一温度区间既高于大多数合金元素的溶解温度，又能避免接近熔点造成过热或熔损，从而维持合金的完整性和均匀性。

在固溶温度下保持28~35min，是基于确保合金中的成分充分均匀化，同时避免晶粒过度生长的考虑。适当的保温时间可以使得合金元素在奥氏体基体中达到均匀分布，提高合金的整体均匀性和性能。

快速冷却是为了“冻结”固溶处理后的微观结构，防止合金元素从奥氏体基体中析出，尤其是碳化物等可能诱发氢脆的相。冷却速率大于70℃/s可以确保合金中的碳和合金化元素保持在固溶状态，增强材料的力学性能和耐腐蚀性。

高强耐热奥氏体不锈钢是一种含有强碳化物形成元素（Ti）的亚稳态奥氏体不锈钢，室温下是单一奥氏体相，同时又有大尺寸方形TiN以及微米级TiCN存在，会造成应力集中，成为氢致裂纹的形核点，加速氢致裂纹的扩展。另外，亚稳态基体组织在服役过程中易发生形变诱导马氏体相变，从而导致在马氏体与奥氏体界面（α'/γ）易上产生氢富集，从而造成开裂和恶化性能。

本发明在成分设计上通过添加少量具有强活性的稀土Y元素以及与C、N强吸附的Nb元素，使其与碳、氮和钛元素产生强烈的交互作用，改善夹杂物和碳化物的形态和分布，优化不锈钢的晶界特征分布，同时，通过优化固溶处理工艺来调节奥氏体的稳定性，减少或减缓变形过程中的马氏体相变，从而提高奥氏体基耐热不锈钢的抗氢脆性能。

下面结合具体的实施例和对比例，对本发明作进一步说明。

实施例1

抗氢脆奥氏体不锈钢的化学成分：C: 0.062 wt%、N: 0.0032 wt%、Si: 0.59 wt%、Mn: 0.98 wt%、Cr: 18.82 wt%、Ni: 10.90 wt%、Ti: 0.28 wt%、Y: 0.0089 wt%、Nb：0.20wt%，余量为Fe和不可避免的杂质。

按照上述成分配料后在真空熔炼炉中进行熔炼和铸造，依次包括转炉熔炼、炉外精炼、真空脱气和连续铸造，得到连铸坯；转炉熔炼的温度为1650℃，时间为40min；炉外精炼温度为1700℃，时间为9min，精炼过程中先喂入钙线，再进行底吹氩气5s，再同步底吹氩气和喂入钇铌中间合金线10s，最后底吹氩气6s。

对连铸坯随炉加热到1200℃，保温1.5h，然后在热轧机上进行热轧，包括粗轧和精轧，粗轧开轧温度为1150℃，精轧终轧温度为1000℃，总变形量为80%，轧坯层流水冷至室温，最终得到成品厚度为8mm的热轧板。

对热轧板进行固溶处理，固溶温度为1080℃，保温30min后水冷（冷却速率大于70℃/s）至室温。

实施例2

抗氢脆奥氏体不锈钢的化学成分：C: 0.067 wt%、N: 0.0050 wt%、Si: 0.58 wt%、Mn: 1.01 wt%、Cr: 18.72 wt%、Ni: 10.99 wt%、Ti: 0.33 wt%、Y: 0.0095 wt%、Nb：0.22wt%，余量为Fe和不可避免的杂质。

按照上述成分配料后在真空熔炼炉中进行熔炼和铸造，依次包括转炉熔炼、炉外精炼、真空脱气和连续铸造，得到连铸坯；转炉熔炼的温度为1650℃，时间为40min；炉外精炼温度为1700℃，时间为9min，精炼过程中先喂入钙线，再进行底吹氩气5s，再同步底吹氩气和喂入钇铌中间合金线10s，最后底吹氩气6s。

对连铸坯随炉加热到1200℃，保温1.5h，然后在热轧机上进行热轧，包括粗轧和精轧，粗轧开轧温度为1150℃，精轧终轧温度为1000℃，总变形量为78%，轧坯层流水冷至室温，最终得到成品厚度为8.8mm的热轧板。

对热轧板进行固溶处理，固溶温度为1080℃，保温30min后水冷（冷却速率大于70℃/s）至室温。

对比例1

与实施例1相比，不同之处在于未添加稀土元素Y。其余条件均于实施例1相同。

对比例2

与实施例1相比，不同之处在于未添加稀土元素Nb。其余条件均于实施例1相同。

对比例3

与实施例1相比，不同之处在于炉外精炼过程中，采用传统喂入技术，即炉外精炼过程中先喂入钙线，再软吹氩15s，再喂入铌钇中间合金线。其余条件均于实施例1相同。

对比例4

与实施例1相比，不同之处在于固溶处理过程中，固溶温度为1200℃。其余条件均于实施例1相同。

表1-各实施例和对比例制得的不锈钢性能测试结果

表1为各实施例和对比例制得的不锈钢性能测试结果，由表1可以看出，本发明实施例中通过添加稀土元素钇(Y)和铌(Nb)，能够显著提升不锈钢的抗氢脆性能；并且配合特定的喂线、固溶工艺能够进一步提升不锈钢的抗氢脆性能。

采用电子背散射衍射技术分析实施例1和对比例1的奥氏体基体的晶界特征分布分别如下图2和图3所示。可以看出，添加稀土Y后（实施例1），奥氏体不锈钢的孪晶界（图2和图3中红色线条部分代表孪晶界，黑色线条部分代表随机晶界）比例为42%，而不加Y（对比例1）的为30%，说明稀土Y能明显提高孪晶界比例，这为通过特殊晶界来形成不可逆氢陷阱奠定了基础，使得实施例1的氢脆敏感性系数（15.6%）明显低于对比例1（21.1%）。

通过扫描电镜观察实施例1和对比例1的TiN析出相的形貌分别如图4和图5所示。可以看出，实施例1在Y添加后，形成了Y的氧硫化物作为形核核心点，诱发TiN形核，使其形状趋于球形。而未添加Y的对比例1，尽管也依附于钢中固有的Al₂O₃形核，但是其形状仍然保留方形，这对于抑制氢扩散是不利的。

从图6的XRD分析结果可以看出，实施例1制得的不锈钢在服役后的残余马氏体含量（奥氏体含量98.21%，马氏体含量1.79%）明显低于对比例1（奥氏体含量89.40%，马氏体含量10.59%），说明在拉伸变形过程中，相比对比例1，实施例1发生的应变诱导马氏体相受到了抑制，这非常有利于控制氢的渗透与扩散。

综上所述，本发明提供的抗氢脆奥氏体不锈钢及其制备方法，基于微合金钢中内界面氢陷阱调控的基础理论，充分利用大尺寸原子的稀土Y和强碳化物形成元素Nb实施复合微合金化，通过对微米和亚微米级夹杂物、纳米级碳化物进行改性和尺寸分布优化，改变其与基体的界面特性，形成深度内界面不可逆氢陷阱来调控富钛奥氏体基不锈钢的抗氢脆行为；同时，结合大原子点阵畸变引起的位错氢陷阱和孪晶界有利氢陷阱，协同调控奥氏体基不锈钢的氢扩散和渗透行为，从而整体提高奥氏体基不锈钢的抗氢脆性能。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种抗氢脆奥氏体不锈钢，其特征在于，按质量百分比计，包括以下成分：

C：0.06~0.08%，N：<0.005%，Si：0.5~0.6%，Mn：0.95~1.05%，Cr：18~19%， Ni：10~11%，Ti：0.2~0.4%，Y：0.005~0.01%，Nb：0.1~0.3%，以及余量的Fe和不可避免的杂质；

其中，所述抗氢脆奥氏体不锈钢通过添加Y和Nb复合微合金化，以在所述抗氢脆奥氏体不锈钢内界面形成不可逆氢陷阱。

2.根据权利要求1所述的抗氢脆奥氏体不锈钢，其特征在于，所述抗氢脆奥氏体不锈钢中Y的添加量为0.008～0.01%，Nb的添加量为0.15～0.25%。

3.根据权利要求1所述的抗氢脆奥氏体不锈钢，其特征在于，所述抗氢脆奥氏体不锈钢中δ铁素体含量小于5%，奥氏体晶界中孪晶界的占比大于40%。

4.根据权利要求1所述的抗氢脆奥氏体不锈钢，其特征在于，所述抗氢脆奥氏体不锈钢中TiN析出相趋于球形。

5.根据权利要求1所述的抗氢脆奥氏体不锈钢，其特征在于，所述抗氢脆奥氏体不锈钢中奥氏体基体晶粒尺寸介于15~40μm之间。

6.根据权利要求1所述的抗氢脆奥氏体不锈钢，其特征在于，所述抗氢脆奥氏体不锈钢室温下的氢脆敏感性系数小于20%，300~700℃水蒸气环境下的氢脆敏感性系数小于15%。

7.一种抗氢脆奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于，包括：

按权利要求1所述的抗氢脆奥氏体不锈钢的成分设计进行配料；

将配好的原料进行熔炼和铸造，得到连铸坯；

将连铸坯进行热轧，得到热轧态合金；

将热轧态合金进行固溶热处理，得到抗氢脆奥氏体不锈钢。

8.根据权利要求7所述的抗氢脆奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于，将配好的原料进行熔炼和铸造，具体包括：

将配好的原料依次进行转炉熔炼、炉外精炼、真空脱气和连续铸造。

9.根据权利要求8所述的抗氢脆奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于，所述炉外精炼的方式为：

精炼过程中先喂入钙线，再进行底吹氩气5s，再同步底吹氩气和喂入钇铌中间合金线10s，最后底吹氩气5~8s。

10.根据权利要求7所述的抗氢脆奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于，所述固溶热处理的条件包括：固溶温度为1080~1120℃，保温时间为28~35min，冷却速率大于70℃/s。