本发明涉及一种适用于中子辐照环境的低活化贝氏体钢及制备方法，属于金属材料领域。适用于聚变堆，另外也适用于其它反应堆使用。
背景技术：
核聚变能作为一种取之不尽的“清洁”能源，是当前国际上的研究热点。为避免材料受长时间中子辐照后产生长寿命放射性核素，聚变堆要求其使用的结构材料为低活化材料。其目的是为了尽可能的降低由于结构材料活化而引起的潜在放射性危害、减少放射性核废物的后处理及其费用。低活化钢是主要是以W、Ta、V和Mn取代一般钢中的Mo、Nb、Cu和Ni等元素。Mo、Nb、Cu和Ni等元素受高能中子辐照后会产生长寿命的放射性核素，其中有些放射性核素的半衰期长达几万甚至几十万年以上，通过严格控制这些元素的含量，可使材料获得低活化的特性。国内外对聚变堆用的低活化钢材料进行了大量的研究，主要是低活化马氏体钢，如欧洲的Eurofer钢、日本的F82H钢以及中国的CLAM钢等。为满足低活化的要求，低活化马氏体钢冶炼必须采用高纯原料，然而低活化马氏体钢的合金成分较高，冶炼成本高。此外，低活化马氏体钢焊接后，焊缝应力较大，硬度高，塑韧性差，焊后需要热处理，不适合制作大型的复杂部件。而现有的T24贝氏体钢，由于含有Mo等长周期放射性元素而不具备低活化的特性，在核电站中使用会存在潜在的放射性危害，增加放射性核废物后处理的费用。
技术实现要素：
本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提出一种适用于中子辐照环境的低活化贝氏体钢，该材料具有较好综合力学性能、高温性能以及低活化特性，焊后无需热处理，适合制造大型部件，能够满足聚变系统的真空容器及其外围大型附属部件、结构环等构件的使用要求。
本发明的技术方案如下：一种适应于中子辐照环境的低活化贝氏体钢，其中：基体元素为Fe元素，其中含有Cr 2.5～3.5％，W 2.2～2.8％，V 0.2～0.25％，Ta 0.12～0.18％，Mn 0.40～0.80％，Si 0.40～0.45％，C 0.08～0.12％，N 0.01～0.05％，P≤0.01％，S≤0.005％，O≤0.005％，Al≤0.01％，Ni≤0.005％，Nb≤0.001％，Co≤0.005％，Cu≤0.005％，Mo≤0.005％(wt.％)。该钢种成分配比采用W、Ta、V和Mn取代一般钢中的Mo、Nb、Cu和Ni等元素，以获得低活化的特性。
所述Cr 3.0％，W 2.5％，V 0.2％，Ta 0.15％，Mn 0.6％，Si 0.4％，C 0.1％，N0.03％，P≤0.01％，S≤0.005％，O≤0.005％，Al≤0.01％，Ni≤0.005％，Nb≤0.001％，Co≤0.005％，Cu≤0.005％，Mo≤0.005％，其余为Fe元素。
低活化贝氏体钢的配方中严格控制中子辐照后可产生长寿命放射性核素Mo、Ni、Cu、Nb，以保证其具有低活化的特性，具体控制要求为：Ni≤0.005％，Nb≤0.001％，Co≤0.005％，Cu≤0.005％，Mo≤0.005％。
一种适用于中子辐照环境的低活化贝氏体钢的制备方法，按照前述中的成分配比，根据原料的性质将原料依次加入真空感应炉，之后采用真空自耗电弧熔炼进一步提纯，将所得铸锭依次进行锻造和轧制，材料的最终热处理工艺为：1100～1200℃/50～70min淬火，720～760℃/60～90min回火，回火后得到回火贝氏体组织。
本发明从对聚变堆结构材料的低活化特性和性能要求等方面综合考虑，通过借鉴低活化铁素体/马氏体钢的研究成果，对现有的低活化贝氏体钢的成分配比进行了进一步的研究与优化。虽然9％Cr能保证辐照后材料具有较低的DBTT值，但作为非第一壁的大型部件来说，接受到的辐照剂量是有限的，而高的Cr含量会提高材料的淬透性，阻碍或抑制材料在冷却过程中形成下贝氏体，因而本发明的Cr含量选为2.5～3.5％；2.2～2.8％W是为了保证材料在具有较高强度和较低DBTT的同时减少脆性相Laves相的析出；0.2～0.25％V和0.12～0.18％Ta是为了形成弥散强化的MX相，提高材料的综合力学性能以及高温性能；0.40～0.45％Si添加的目的是为了使材料在高温氧化气氛中服役表面形成一层SiO2薄膜，从而提高材料在高温时的抗氧化性，此外，Si的添加可抑制C扩散，有助于下贝氏体形成；0.40～0.80％Mn是为了稳定奥氏体并增加MX相在奥氏体化时的固溶度，0.01～0.05％N有助于形成大量的MX相。
此结构材料具有低活化特性、良好的综合力学性能、较高的高温性能以及焊后可无需热处理等特性，适合在聚变堆中辐照剂量相对较低的环境下使用，如聚变堆真空容器和结构环等。采用本发明的低活化贝氏体钢作为核聚变堆结构材料，经中子辐照后，其放射性水平可在较短的时间内降低至可远程操作的剂量率水平10mSv/h以下。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明所述低活化贝氏体钢的合Cr元素含量比低活化马氏体钢低约6％，高纯Cr的价格为270000元/吨，因此每吨低活化贝氏体钢的成本至少比低活化马氏体钢节约成本16000元。
(2)本发明所述低活化贝氏体钢相比于低活化马氏体钢通过降低Cr含量，降低了材料的淬透性，阻碍或抑制材料在冷却过程中形成下马氏体组织，而易于形成贝氏体组织；另外，Si的添加可抑制C扩散，有助于下贝氏体形成；因此，本发明所述低活化贝氏体钢焊后焊缝可得到性能较好的贝氏体组织，无需进行焊后热处理，适合制作大型部件，如聚变堆的真空容器，结构环。
(3)由于本发明所述低活化贝氏体钢的晶体结构为体心立方结构，相比于316L奥氏体钢的面心立方结构具有较好的抗辐照肿胀；此外316L奥氏体钢含有Mo、Ni等经中子辐照后可产生长寿命放射性核素，不具备低活化的特性。
(4)本发明所述低活化贝氏体钢与现有的T24贝氏体钢相比，通过严格控制Mo等经中子辐照后可产生长寿命放射性核素的含量，使本发明的结构钢材料具有低活化的特性。
(5)本发明所述低活化贝氏体钢与现有的T24贝氏体钢相比，添加了元素Ta和V，是材料在加工成型过程中大量析出细小弥散的MX相(M为Ta或V，X为C或N)，细小弥散的MX相可阻碍位错以及晶界的移动，提高材料的抗变形能力，大大提高材料的力学性能，尤其是高温力学性能。
(6)本发明的低活化贝氏体钢室温力学性能为：热处理后材料的室温屈服强度Rp0.2≥500MPa，抗拉强度板Rm≥630MPa延伸率A≥20％，断面收缩率Z≥70％；横向冲击功和纵向冲击功Akv≥320J；在550℃，190MPa应力条件下的蠕变持久时间超过10000h。这些性能均满足聚变堆的设计要求。
具体实施方式
下面结合具体实施例详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，不仅仅限于本实施例。
实施例1：
(1)按照成分配比：Cr 2.5％，W 2.3％，V 0.20％，Ta 0.15％，Mn 0.50％，Si 0.40％，C 0.10％，N 0.04％，P≤0.01％，S≤0.005％，O≤0.005％，Al≤0.01％，Ni≤0.005％，Nb≤0.001％，Co≤0.005％，Cu≤0.005％，Mo≤0.005％(wt.％)以及合金的烧损量配比原材料。
(2)在真空感应炉中根据合金元素的烧损和挥发特性依次加入原材料，易氧化合金元素脱氧充分后加入，易挥发合金元素在气氛保护下或者熔炼末期停止抽真空加入，原材料经真空感应熔炼后制备出成分合格的铸锭。
(3)将制备好的铸锭采用真空自耗电弧熔炼，进一步提纯材料。
(4)将步骤(3)得到的铸锭进行锻造，初始锻造温度为1150℃，保温50min，终锻温度900℃。
(5)将锻造的材料进行轧制处理，轧制温度1100℃，保温60min，终轧温度850℃，轧制后空冷，总的变形量不低于80％。
(6)材料轧制后进行热处理，热处理制度为：1100～1200℃保温50～70min后淬火，将淬火后的材料在720～760℃保温60～90min后空冷回火，最终得到回火下贝氏体组织
(7)将所得材料进行性能测试，室温屈服强度(Rp0.2)531MPa，抗拉强度板(Rm)637MPa，延伸率(A)22％，断面收缩率(Z)79％；横向冲击功和纵向冲击功(Akv)337J；在550℃，190MPa应力条件下的蠕变持久时间超过10000h。这些性能均满足聚变堆的设计要求。
实施例2：
(1)按照成分配比：Cr 2.8％，W 2.5％，V 0.20％，Ta 0.15％，Mn 0.50％，Si 0.40％，C 0.10％，N 0.04％，P≤0.01％，S≤0.005％，O≤0.005％，Al≤0.01％，Ni≤0.005％，Nb≤0.001％，Co≤0.005％，Cu≤0.005％，Mo≤0.005％(wt.％)以及合金的烧损量配比原材料。
(2)在真空感应炉中根据合金元素的烧损和挥发特性依次加入原材料，易氧化合金元素脱氧充分后加入，易挥发合金元素在气氛保护下或者熔炼末期停止抽真空加入，原材料经真空感应熔炼后制备出成分合格的铸锭。
(3)将制备好的铸锭采用真空自耗电弧熔炼，进一步提纯材料。
(4)将步骤(3)得到的铸锭进行锻造，初始锻造温度为1150℃，保温50min，终锻温度900℃。
(5)将锻造的材料进行轧制处理，轧制温度1100℃，保温60min，终轧温度850℃，轧制后空冷，总的变形量不低于80％。
(6)材料轧制后进行热处理，热处理制度为：1100～1200℃保温50～70min后淬火，将淬火后的材料在720～760℃保温60～90min后空冷回火，最终得到回火下贝氏体组织
(7)将所得材料进行性能测试，室温屈服强度(Rp0.2)535MPa，抗拉强度板(Rm)641MPa，延伸率(A)21％，断面收缩率(Z)77％；横向冲击功和纵向冲击功(Akv)329J；在550℃，190MPa应力条件下的蠕变持久时间超过10000h。这些性能均满足聚变堆的设计要求。
实施例3：
(1)按照成分配比：Cr 3.0％，W 2.5％，V 0.20％，Ta 0.15％，Mn 0.50％，Si 0.40％，C 0.10％，N 0.04％，P≤0.01％，S≤0.005％，O≤0.005％，Al≤0.01％，Ni≤0.005％，Nb≤0.001％，Co≤0.005％，Cu≤0.005％，Mo≤0.005％(wt.％)以及合金的烧损量配比原材料。
(2)在真空感应炉中根据合金元素的烧损和挥发特性依次加入原材料，易氧化合金元素脱氧充分后加入，易挥发合金元素在气氛保护下或者熔炼末期停止抽真空加入，原材料经真空感应熔炼后制备出成分合格的铸锭。
(3)将制备好的铸锭采用真空自耗电弧熔炼，进一步提纯材料。
(4)将步骤(3)得到的铸锭进行锻造，初始锻造温度为1150℃，保温50min，终锻温度900℃。
(5)将锻造的材料进行轧制处理，轧制温度1100℃，保温60min，终轧温度850℃，轧制后空冷，总的变形量不低于80％。
(6)材料轧制后进行热处理，热处理制度为：1100～1200℃保温50～70min后淬火，将淬火后的材料在720～760℃保温60～90min后空冷回火，最终得到回火下贝氏体组织。
(7)将所得材料进行性能测试，室温屈服强度(Rp0.2)539MPa，抗拉强度板(Rm)643MPa，延伸率(A)19％，断面收缩率(Z)75％；横向冲击功和纵向冲击功(Akv)322J；在550℃，190MPa应力条件下的蠕变持久时间超过10000h。这些性能均满足聚变堆的设计要求。
实施例4：
(1)按照成分配比：Cr 3.3％，W 2.5％，V 0.20％，Ta 0.15％，Mn 0.50％，Si 0.40％，C 0.10％，N 0.04％，P≤0.01％，S≤0.005％，O≤0.005％，Al≤0.01％，Ni≤0.005％，Nb≤0.001％，Co≤0.005％，Cu≤0.005％，Mo≤0.005％(wt.％)以及合金的烧损量配比原材料。
(2)在真空感应炉中根据合金元素的烧损和挥发特性依次加入原材料，易氧化合金元素脱氧充分后加入，易挥发合金元素在气氛保护下或者熔炼末期停止抽真空加入，原材料经真空感应熔炼后制备出成分合格的铸锭。
(3)将制备好的铸锭采用真空自耗电弧熔炼，进一步提纯材料。
(4)将步骤(3)得到的铸锭进行锻造，初始锻造温度为1150℃，保温50min，终锻温度900℃。
(5)将锻造的材料进行轧制处理，轧制温度1100℃，保温60min，终轧温度850℃，轧制后空冷，总的变形量不低于80％。
(6)材料轧制后进行热处理，热处理制度为：1100～1200℃保温50～70min后淬火，将淬火后的材料在720～760℃保温60～90min后空冷回火，最终得到回火下贝氏体组织
(7)将所得材料进行性能测试，室温屈服强度(Rp0.2)536MPa，抗拉强度板(Rm)647MPa，延伸率(A)19％，断面收缩率(Z)77％；横向冲击功和纵向冲击功(Akv)324J；在550℃，190MPa应力条件下的蠕变持久时间超过10000h。这些性能均满足聚变堆的设计要求。
实施例5：
(1)按照成分配比：Cr 3.0％，W 2.8％，V 0.20％，Ta 0.15％，Mn 0.50％，Si 0.40％，C 0.10％，N 0.04％，P≤0.01％，S≤0.005％，O≤0.005％，Al≤0.01％，Ni≤0.005％，Nb≤0.001％，Co≤0.005％，Cu≤0.005％，Mo≤0.005％(wt.％)以及合金的烧损量配比原材料。
(2)在真空感应炉中根据合金元素的烧损和挥发特性依次加入原材料，易氧化合金元素脱氧充分后加入，易挥发合金元素在气氛保护下或者熔炼末期停止抽真空加入，原材料经真空感应熔炼后制备出成分合格的铸锭。
(3)将制备好的铸锭采用真空自耗电弧熔炼，进一步提纯材料。
(4)将步骤(3)得到的铸锭进行锻造，初始锻造温度为1150℃，保温50min，终锻温度900℃。
(5)将锻造的材料进行轧制处理，轧制温度1100℃，保温60min，终轧温度850℃，轧制后空冷，总的变形量不低于80％。
(6)材料轧制后进行热处理，热处理制度为：1100～1200℃保温50～70min后淬火，将淬火后的材料在720～760℃保温60～90min后空冷回火，最终得到回火下贝氏体组织。
(7)将所得材料进行性能测试，室温屈服强度(Rp0.2)546MPa，抗拉强度板(Rm)651MPa，延伸率(A)19％，断面收缩率(Z)73％；横向冲击功和纵向冲击功(Akv)325J；在550℃，190MPa应力条件下的蠕变持久时间超过10000h。这些性能均满足聚变堆的设计要求。
实施例6：
(1)按照成分配比：Cr 3.0％，W 2.3％，V 0.20％，Ta 0.15％，Mn 0.50％，Si 0.40％，C 0.10％，N 0.04％，P≤0.01％，S≤0.005％，O≤0.005％，Al≤0.01％，Ni≤0.005％，Nb≤0.001％，Co≤0.005％，Cu≤0.005％，Mo≤0.005％(wt.％)以及合金的烧损量配比原材料。
(2)在真空感应炉中根据合金元素的烧损和挥发特性依次加入原材料，易氧化合金元素脱氧充分后加入，易挥发合金元素在气氛保护下或者熔炼末期停止抽真空加入，原材料经真空感应熔炼后制备出成分合格的铸锭。
(3)将制备好的铸锭采用真空自耗电弧熔炼，进一步提纯材料。
(4)将步骤(3)得到的铸锭进行锻造，初始锻造温度为1150℃，保温50min，终锻温度900℃。
(5)将锻造的材料进行轧制处理，轧制温度1100℃，保温60min，终轧温度850℃，轧制后空冷，总的变形量不低于80％。
(6)材料轧制后进行热处理，热处理制度为：1100～1200℃保温50～70min后淬火，将淬火后的材料在720～760℃保温60～90min后空冷回火，最终得到回火下贝氏体组织。
(7)将所得材料进行性能测试，室温屈服强度(Rp0.2)521MPa，抗拉强度板(Rm)635MPa，延伸率(A)20％，断面收缩率(Z)75％；横向冲击功和纵向冲击功(Akv)324J；在550℃，190MPa应力条件下的蠕变持久时间超过10000h。这些性能均满足聚变堆的设计要求。
总之，本发明所述低活化贝氏体钢的合金含量低，价格便宜，且焊后可不需要热处理，适合制作大型部件，如聚变系统的真空容器及其外围大型附属部件、结构环等。相比于316L奥氏体不锈钢，低活化贝氏体钢具有良好的低活化特性、较好的抗辐照肿胀性能。低活化贝氏体钢由于其针状下贝氏体组使其具有较高的综合力学性能，尤其高温蠕变性能。
需要说明的是，按照本发明上述各实施例，本领域技术人员是完全可以实现本发明权利要求1及从属权利的全部范围的，实现过程及方法同上述各实施例；且本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。
以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。