本发明属于特殊钢冶金技术领域，特别涉及一种氧化物弥散强化低活化铁素体/马氏体钢及其冶炼方法。
背景技术：
核能的发展已经到了第IX代，反应堆内的工作环境变的更加严酷，材料尤其是第一壁/包壳材料是实现第四代核反应堆“高效、安全、经济”运行的关键性问题。低活化铁素体/马氏体钢(RAFM)因其具有较低的辐照肿胀率、热膨胀系数和较高热导率以及良好的机械性能，被选为聚变反应堆包层的首选结构候选材料，这些材料在300～500℃时具有较高的导热率及抗中子辐照损伤的能力。但其高温强度不足(运行最高温度仅能达到550℃)及容易产生氦脆等缺点，极大的限制了其在聚变堆第一壁以及第IV代裂变快堆包壳等关键部位的使用。由于低活性的要求，可添加的合金元素有限，单纯通过合金化的方法很难大幅提高其性能。
氧化物弥散强化(ODS)被认为是提高材料使用温度范围的有效技术，为提高RAFM钢的高温强度，近年来世界各国科学家均开始研究在低活化铁素体/马氏体钢(RAFM)基体中添加Y2O3制备氧化物弥散强化低活化铁素体/马氏体钢(ODS-RAFM)。钢中纳米析出相(富Y-Ti-O相)对位错具有强的钉扎作用，可显著提高材料的高温强度及高温蠕变强度，同时Y2O3可以捕获辐照产生的空位或He原子，减少辐照造成的损伤。ODS钢制备的关键是将细小的氧化物质点均匀分散在基体中，中国专利CN101328562A公布的氧化物弥散强化低活化马氏体钢材料及其制备方法将CLAM钢粉、Y2O3粉和Ti粉均匀混合后置于密封容器中除气，其后在高纯氩气保护下机械合金化，等静压或热压烧结致密化成型，继而进行热挤压或锻造轧制等加工成型制备所需型材。制备的合金具有抗强中子辐照、高温性能优良和低活化等特点。中国专利CN102828097A公布的用机械合金化法制备含氮ODS无镍奥氏体合金的方法，以Fe、Cr、Mn、W、Ti、Al的纯金属元素粉末与纳米Y2O3粉末按Cr：17～20％，Mn：18～22％，W：1.5～2.5％，Al：2～4％，Ti：0.5～1.0％，Y2O3：0.3-0.6％，余量为Fe混合，装入卧式行星式高能球磨机中进行机械合金化，其后烧结得到含氮ODS无镍奥氏体合金，可在很大程度上改善无镍奥氏体不锈钢在高温环境下的服役能力。
以上机械合金化的工艺制备ODS钢，可在一定程度上提高合金的高温性能，但是由于采用的机械合金化设备不同和需控制的工艺参数较多，造成目前机械合金化工艺的稳定性和重现性较差，很难形成统一的操作标准实现大规模生产。且该工艺存在着固有的粉末易污染和氧化及成品密实度低、缺陷较多等问题，很难制备出洁净度相同、组织和性能相同的钢。同时缺乏大型机械合金化及成型设备，使ODS钢的工业化应用受到阻碍。
技术实现要素：
为了解决上述问题，本发明提供一种氧化物弥散强化低活化铁素体/马氏体钢(ODS-RAFM)及其冶炼方法，经过备料、真空感应熔炼、浇注、锻造和电渣熔融工艺，制得ODS-RAFM，具有纯度高、冶炼方法稳定、满足大型核电设备所需的大规格ODS钢。
一种氧化物弥散强化低活化铁素体/马氏体钢，包括的原料及其质量百分比为：电解铬(8.9～9.1％)、电解锰(0.4～0.5％)、高纯硅(0.05～0.08％)、高纯石墨(0.08～0.12％)、金属钨(1.4～1.6％)、金属钽(0.1％)、金属钒(0.18～0.22％)、海绵钛(0.1～0.25％)、高纯稀土钇(0.2～0.5％)、氧化铁皮(1％)，余量为高纯低硫低磷生铁。
所述的原料中，高纯低硫低磷生铁含有的成分及其质量百分比要求如下：S≤0.005％、P≤0.01％、Al≤0.01％、Fe≥99.9％、余量为杂质，杂质≤0.08％。其余原料的合金纯度≥99.9％。
所述的氧化铁皮，保证了合金中有足够的氧含量。
加入的海绵钛和稀土钇，保证了钢液中可以生成有效粒子Y2TiO5和/或Y2Ti2O7。
一种氧化物弥散强化低活化铁素体/马氏体钢的冶炼方法，包括以下步骤：
步骤1，备料
按氧化物弥散强化低活化铁素体/马氏体钢的组分配比，称取原料，其中，稀土钇去除表面氧化层；
步骤2，真空感应熔炼
将金属铬、金属钨、金属钽、石墨碳、氧化铁皮及高纯铁混合，进行真空精炼，得到难熔金属熔体；按时间间隔1～3min，依次向难熔金属熔体中加入高纯硅、电解锰、金属钒、海绵钛、高纯稀土钇进行合金化，高纯稀土钇加入后，再合金化5～10min，得到合金熔体；其中，真空精炼的工艺参数为，真空度为5～10Pa，精炼时间为50～60min；
步骤3，浇铸
在氩气保护气氛下，将合金熔体进行浇铸，得到铸锭，其中，浇注过热度控制在50～60℃；
浇铸完成后，将铸锭置于保温炉内缓慢冷却至190～210℃后，空冷至室温，得到冷却后的铸锭，其中，缓慢冷却的冷却速度控制在10～20℃/min。
步骤4，锻造
将冷却后的铸锭，在1100～1200℃下高温扩散均匀化1～1.5h，将钢锭锻造为Φ(45～60)cm的钢棒；
步骤5，电渣重熔
将钢棒作为电渣重熔的电极，在氩气保护下，采用电渣重熔方法进行精炼，制得氧化物弥散强化低活化铁素体/马氏体钢；其中，电渣重熔的工艺参数为：电渣渣系为三元渣系：CaF2∶Al2O3∶Y2O3＝7∶3∶(0.1～0.2)；结晶器出水温度：35～40℃。
所述的步骤1中，所述的稀土钇在使用前去除表面氧化层，目的在于，防止加入后造成钢液黏稠。
所述的步骤2中，所述的真空精炼的目的在于，保证难熔金属熔化及去除合金中的气体。
所述的步骤2中，所述的真空熔炼的装置为真空感应炉，方法是将物料置于真空感应炉的坩埚内。
所述的步骤3中，所述的缓慢冷却的目的在于，防止热应力裂纹出现引起锻裂现象出现。
所述的步骤4中，所述的锻造，开锻温度1100～1200℃，终锻温度900～1150℃。
所述的步骤5中，电渣重熔的设备为电渣炉。
所述的步骤5中，所述的电渣重熔方法中，冶炼电流：2000～2750A；冶炼电压：40～50V；其中，冶炼电流I＝S·(55/d电极+0.05)，I为电流，S为自耗电极的横断面面积(mm2)，d电极为电极直径(cm)。
所述的步骤5中，所述的渣量为电极质量的0.2～0.5％。
冶炼方法中，真空感应熔炼的目的是采用直接合金化工艺在钢中生成1012～1013个/m3微米级及1019～1021个/m3的纳米级Y-Ti-O相粒子，电渣重熔的目的是去除钢中微米级Y-Ti-O相，使钢中残留纳米级Y-Ti-O相。
本发明的一种氧化物弥散强化低活化铁素体/马氏体钢及其冶炼方法，相比于现有技术，其有益效果为：
1.本发明的氧化物弥散强化低活化铁素体/马氏体钢，原料加入氧化铁皮，保证了合金中有足够的氧含量，为200～300×10-6；
2.本发明的冶炼方法中，将稀土钇去除表面氧化层，有效的降低熔炼后的钢液粘度；真空熔炼工艺采用不易烧损的原料先熔炼，再加入其他原料熔炼的分段熔炼工艺，保证难熔金属熔化，并去除了合金中的气体。
3.本发明的冶炼方法中，真空感应工艺使钢中生成大量微米及纳米级有效粒子(Y2TiO5或Y2Ti2O7)，电渣重熔工艺去除钢中微米级粒子保留钢中的纳米级粒子，保证了细小的氧化物质点均匀分散在基体中，制备的氧化物弥散强化低活化铁素体/马氏体钢具有致密度高、成分均匀、耗能少等优点。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
实施例1
一种氧化物弥散强化低活化铁素体/马氏体钢，包括的原料及其质量百分比为：电解铬(8.9％)、电解锰(0.48％)、高纯硅(0.06％)、高纯石墨(0.11％)、金属钨(1.45％)、金属钽(0.1％)、金属钒(0.19％)、海绵钛(0.15％)、高纯稀土钇(0.3％)、氧化铁皮(1％)，余量为高纯低硫低磷生铁；
所述的原料中，高纯低硫低磷生铁含有的成分及其质量百分比要求如下：S≤0.005％、P≤0.01％、Al≤0.01％、Fe≥99.9％、余量为杂质，杂质≤0.08％。其余原料的合金纯度≥99.9％。
一种氧化物弥散强化低活化铁素体/马氏体钢的冶炼方法，包括以下步骤：
步骤1，备料
按氧化物弥散强化低活化铁素体/马氏体钢的组分配比，称取原料，其中，稀土钇去除表面氧化层；
步骤2，真空感应熔炼
将金属铬、金属钨、金属钽、石墨碳、氧化铁皮及高纯铁置于真空感应炉坩埚内，真空精炼，得到难熔金属熔体；按时间间隔2min，依次向难熔金属熔体中加入高纯硅、电解锰、金属钒、海绵钛、高纯稀土钇进行合金化，高纯稀土钇加入后，再合金化5min，得到合金熔体；其中，真空精炼的工艺参数为，真空度为8Pa，精炼时间为55min；
步骤3，浇铸
在氩气保护气氛下，将合金熔体进行浇铸，得到铸锭，其中，浇注过热度控制在55℃；
浇铸完成后，将铸锭置于保温炉内缓慢冷却至200℃后，空冷至室温，得到冷却后的铸锭，其中，缓慢冷却的冷却速度控制在15℃/min。
步骤4，锻造
将冷却后的铸锭，在1200℃下高温扩散均匀化1h，开锻温度为1250℃，终锻温度1150℃，将钢锭锻造为Φ45cm的钢棒；
步骤5，电渣重熔
将钢棒作为电渣重熔的电极，在电渣炉中，氩气保护下，采用电渣重熔方法进行精炼，制得氧化物弥散强化低活化铁素体/马氏体钢；其中，电渣重熔的工艺参数为：电渣渣系为三元渣系：CaF2∶Al2O3∶Y2O3＝7∶3∶0.15；渣量按电极质量的0.25％控制；冶炼电流：I＝2000A；冶炼电压：45V；结晶器出水温度：38℃。
实施例2
一种氧化物弥散强化低活化铁素体/马氏体钢，包括的原料及其质量百分比为：电解铬(8.9％)、电解锰(0.5％)、高纯硅(0.08％)、高纯石墨(0.12％)、金属钨(1.6％)、金属钽(0.1％)、金属钒(0.18％)、海绵钛(0.25％)、高纯稀土钇(0.25％)、氧化铁皮(1％)，余量为高纯低硫低磷生铁；
所述的原料中，高纯低硫低磷生铁含有的成分及其质量百分比要求如下：S≤0.005％、P≤0.01％、Al≤0.01％、Fe≥99.9％、余量为杂质，杂质≤0.08％。其余原料的合金纯度≥99.9％。
一种氧化物弥散强化低活化铁素体/马氏体钢的冶炼方法，包括以下步骤：
步骤1，备料
按氧化物弥散强化低活化铁素体/马氏体钢的组分配比，称取原料，其中，稀土钇去除表面氧化层；
步骤2，真空感应熔炼
将金属铬、金属钨、金属钽、石墨碳、氧化铁皮及高纯铁置于真空感应炉坩埚内，真空精炼，得到难熔金属熔体；按时间间隔1min，依次向难熔金属熔体中加入高纯硅、电解锰、金属钒、海绵钛、高纯稀土钇进行合金化，高纯稀土钇加入后，再合金化10min，得到合金熔体；其中，真空精炼的工艺参数为，真空度为10Pa，精炼时间为60min；
步骤3，浇铸
在氩气保护气氛下，将合金熔体进行浇铸，得到铸锭，其中，浇注过热度控制在60℃；
浇铸完成后，将铸锭置于保温炉内缓慢冷却至190℃后，空冷至室温，得到冷却后的铸锭，其中，缓慢冷却的冷却速度控制在20℃/min。
步骤4，锻造
将冷却后的铸锭，在1100℃下高温扩散均匀化1.5h，开锻温度为1150℃，终锻温度为900℃，将钢锭锻造为Φ50cm的钢棒；
步骤5，电渣重熔
将钢棒作为电渣重熔的电极，在电渣炉中，氩气保护下，采用电渣重熔方法进行精炼，制得氧化物弥散强化低活化铁素体/马氏体钢；其中，电渣重熔的工艺参数为：电渣渣系为三元渣系：CaF2∶Al2O3∶Y2O3＝7∶3∶0.1；渣量按电极质量的0.2％控制；冶炼电流：I＝2250A；冶炼电压：50V；结晶器出水温度：40℃。
实施例3
一种氧化物弥散强化低活化铁素体/马氏体钢，包括的原料及其质量百分比为：电解铬(9.1％)、电解锰(0.5％)、高纯硅(0.08％)、高纯石墨(0.08％)、金属钨(1.4％)、金属钽(0.1％)、金属钒(0.22％)、海绵钛(0.20％)、高纯稀土钇(0.40％)、氧化铁皮(1％)，余量为高纯低硫低磷生铁；
所述的原料中，高纯低硫低磷生铁含有的成分及其质量百分比要求如下：S≤0.005％、P≤0.01％、Al≤0.01％、Fe≥99.9％、余量为杂质，杂质≤0.08％。其余原料的合金纯度≥99.9％。
一种氧化物弥散强化低活化铁素体/马氏体钢的冶炼方法，包括以下步骤：
步骤1，备料
按氧化物弥散强化低活化铁素体/马氏体钢的组分配比，称取原料，其中，稀土钇去除表面氧化层；
步骤2，真空感应熔炼
将金属铬、金属钨、金属钽、石墨碳、氧化铁皮及高纯铁置于真空感应炉坩埚内，真空精炼，得到难熔金属熔体；按时间间隔3min，依次向难熔金属熔体中加入高纯硅、电解锰、金属钒、海绵钛、高纯稀土钇进行合金化，高纯稀土钇加入后，再合金化7min，得到合金熔体；其中，真空精炼的工艺参数为，真空度为5Pa，精炼时间为50min；
所述的步骤2中，所述的真空精炼的目的在于，保证难熔金属熔化及去除合金中的气体。
步骤3，浇铸
在氩气保护气氛下，将合金熔体进行浇铸，得到铸锭，其中，浇注过热度控制在50℃；
浇铸完成后，将铸锭置于保温炉内缓慢冷却至210℃后，空冷至室温，得到冷却后的铸锭，其中，缓慢冷却的冷却速度控制在10℃/min。
所述的步骤3中，所述的缓慢冷却的目的在于，防止热应力裂纹出现引起锻裂现象出现。
步骤4，锻造
将冷却后的铸锭，在1200℃下高温扩散均匀化1h，开锻温度为1150℃，终锻温度90℃，将钢锭锻造为Φ45cm的钢棒；
步骤5，电渣重熔
将钢棒作为电渣重熔的电极，在电渣炉中，氩气保护下，采用电渣重熔方法进行精炼，制得氧化物弥散强化低活化铁素体/马氏体钢；其中，电渣重熔的工艺参数为：电渣渣系为三元渣系：CaF2∶Al2O3∶Y2O3＝7∶3∶0.2；渣量按电极质量的0.5％控制；冶炼电流：I＝2750A；冶炼电压：40V；结晶器出水温度：35℃。
实施例4
一种氧化物弥散强化低活化铁素体/马氏体钢，包括的原料及其质量百分比为：电解铬(9.1％)、电解锰(0.4％)、高纯硅(0.05％)、高纯石墨(0.08％)、金属钨(1.4％)、金属钽(0.1％)、金属钒(0.22％)、海绵钛(0.10％)、高纯稀土钇(0.20％)、氧化铁皮(1％)，余量为高纯低硫低磷生铁；
所述的原料中，高纯低硫低磷生铁含有的成分及其质量百分比要求如下：S≤0.005％、P≤0.01％、Al≤0.01％、Fe≥99.9％、余量为杂质，杂质≤0.08％。其余原料的合金纯度≥99.9％。
一种氧化物弥散强化低活化铁素体/马氏体钢的冶炼方法，包括以下步骤：
步骤1，备料
按氧化物弥散强化低活化铁素体/马氏体钢的组分配比，称取原料，其中，稀土钇去除表面氧化层；
步骤2，真空感应熔炼
将金属铬、金属钨、金属钽、石墨碳、氧化铁皮及高纯铁置于真空感应炉坩埚内，真空精炼，得到难熔金属熔体；按时间间隔2min，依次向难熔金属熔体中加入高纯硅、电解锰、金属钒、海绵钛、高纯稀土钇进行合金化，高纯稀土钇加入后，再合金化7min，得到合金熔体；其中，真空精炼的工艺参数为，真空度为6Pa，精炼时间为55min；
所述的步骤2中，所述的真空精炼的目的在于，保证难熔金属熔化及去除合金中的气体。
步骤3，浇铸
在氩气保护气氛下，将合金熔体进行浇铸，得到铸锭，其中，浇注过热度控制在55℃；
浇铸完成后，将铸锭置于保温炉内缓慢冷却至200℃后，空冷至室温，得到冷却后的铸锭，其中，缓慢冷却的冷却速度控制在15℃/min。
所述的步骤3中，所述的缓慢冷却的目的在于，防止热应力裂纹出现引起锻裂现象出现。
步骤4，锻造
将冷却后的铸锭，在1200℃下高温扩散均匀化1h，开锻温度为1150℃，终锻温度90℃，将钢锭锻造为Φ45cm的钢棒；
步骤5，电渣重熔
将钢棒作为电渣重熔的电极，在电渣炉中，氩气保护下，采用电渣重熔方法进行精炼，制得氧化物弥散强化低活化铁素体/马氏体钢；其中，电渣重熔的工艺参数为：电渣渣系为三元渣系：CaF2∶Al2O3∶Y2O3＝7∶3：0.2；渣量按电极质量的0.5％控制；冶炼电流：I＝2750A；冶炼电压：40V；结晶器出水温度：35℃。
实施例4
一种氧化物弥散强化低活化铁素体/马氏体钢，包括的原料及其质量百分比为：电解铬(9.1％)、电解锰(0.4％)、高纯硅(0.05％)、高纯石墨(0.08％)、金属钨(1.4％)、金属钽(0.1％)、金属钒(0.22％)、海绵钛(0.25％)、高纯稀土钇(0.50％)、氧化铁皮(1％)，余量为高纯低硫低磷生铁；
所述的原料中，高纯低硫低磷生铁含有的成分及其质量百分比要求如下：S≤0.005％、P≤0.01％、Al≤0.01％、Fe≥99.9％、余量为杂质，杂质≤0.08％。其余原料的合金纯度≥99.9％。
一种氧化物弥散强化低活化铁素体/马氏体钢的冶炼方法，包括以下步骤：
步骤1，备料
按氧化物弥散强化低活化铁素体/马氏体钢的组分配比，称取原料，其中，稀土钇去除表面氧化层；
步骤2，真空感应熔炼
将金属铬、金属钨、金属钽、石墨碳、氧化铁皮及高纯铁置于真空感应炉坩埚内，真空精炼，得到难熔金属熔体；按时间间隔2min，依次向难熔金属熔体中加入高纯硅、电解锰、金属钒、海绵钛、高纯稀土钇进行合金化，高纯稀土钇加入后，再合金化7min，得到合金熔体；其中，真空精炼的工艺参数为，真空度为6Pa，精炼时间为55min；
所述的步骤2中，所述的真空精炼的目的在于，保证难熔金属熔化及去除合金中的气体。
步骤3，浇铸
在氩气保护气氛下，将合金熔体进行浇铸，得到铸锭，其中，浇注过热度控制在55℃；
浇铸完成后，将铸锭置于保温炉内缓慢冷却至200℃后，空冷至室温，得到冷却后的铸锭，其中，缓慢冷却的冷却速度控制在15℃/min。
所述的步骤3中，所述的缓慢冷却的目的在于，防止热应力裂纹出现引起锻裂现象出现。
步骤4，锻造
将冷却后的铸锭，在1200℃下高温扩散均匀化1h，开锻温度为1150℃，终锻温度90℃，将钢锭锻造为Φ45cm的钢棒；
步骤5，电渣重熔
将钢棒作为电渣重熔的电极，在电渣炉中，氩气保护下，采用电渣重熔方法进行精炼，制得氧化物弥散强化低活化铁素体/马氏体钢；其中，电渣重熔的工艺参数为：电渣渣系为三元渣系：CaF2∶Al2O3∶Y2O3＝7∶3∶0.2；渣量按电极质量的0.5％控制；冶炼电流：I＝2750A；冶炼电压：40V；结晶器出水温度：35℃。