一种适用于铅基堆的铁铬铝合金及其热处理方法与流程

本发明涉及铅基堆的结构材料，特别是涉及一种适用于铅基堆的铁铬铝合金及其热处理方法。

背景技术：

1、铅基快中子反应堆(简称铅基堆)中的中子未经过慢化，核裂变反应由快中子引发，同时快中子可以将占天然铀元素绝大部分含量的同位素238u转化为易裂变的239pu后进行利用，可以将铀资源的利用率比压水堆大幅提高140倍，从而让有限的铀资源为人类杜会提供更多的核电能量。

2、铅基堆采用液态铅(pb)或铅铋合金(pbbi)作冷却剂。与其他冷却剂相比，铅铋合金或铅具有以下诸多优势：(1)铅和铋的原子量大，中子慢化截面小，可以增大冷却剂与燃料的体积比，降低堆芯功率密度；(2)由于铅铋合金和铅的沸点高，不易产生空泡，如果冷却剂出口温度提高至800℃，可以实现制氢等更广泛的应用；(3)铅或铅铋合金具有化学惰性，与水接触不会产生类似钠水反应的危险；(4)铅铋合金和铅具有优良的传热性能，可以将反应堆中的核反应热量迅速传递出去。以液态铅或铅铋合金为冷却剂的反应堆是现代核能系统中最具有发展潜力的堆型，也是有望首个实现工业示范和商业化应用的第四代先进核能系统。

3、在铅基堆中，反应堆结构材料(如316l、t91、ep823等)将与高温液态铅或铅铋合金直接接触，高温流动的液态铅或铅铋合金会对反应堆结构材料造成溶解腐蚀，并引起结构材料的液态金属脆化，这将严重危及反应堆的安全和使用寿命。在一定的温度及氧含量范围内，液态铅或铅铋合金中的氧只与材料表面的铬等元素反应形成氧化物保护膜，能在一定程度上减弱和抑制腐蚀的进一步发展，同时通过氧化层隔离避免了结构材料的脆化。但在较高温度的液态铅或铅铋合金中，尤其在550℃以上，结构材料的强度会显著下降，同时材料会被严重氧化并且不能抑制溶解腐蚀的发生。因此，开发合适的结构材料是解决铅基堆关键部件腐蚀问题，提高铅基堆运行温度的关键。

技术实现思路

1、鉴于上述问题，本发明提出了一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的适用于铅基堆的铁铬铝合金及其热处理方法。

2、本发明的一个目的在于提供一种具有抗液态铅及铅合金腐蚀的性能并具有较好的高温强度和焊接性能的适用于铅基堆的铁铬铝合金。

3、本发明的另一个目的在于提供一种铁铬铝合金的热处理方法，使合金具有良好的室温力学性能和高温强度。

4、根据本发明的一方面，提供了一种适用于铅基堆的铁铬铝合金，所述铁铬铝合金按重量百分比含量计包含0.30％～0.75％的钛和0.01％～0.03％的氮。

5、可选地，按重量百分比含量计，所述铁铬铝合金由以下组分组成：

6、铬：10.0％～14.0％；铝：3.0％～5.0％；硅：0.2％～1.0％；锰：0.2％～0.7％；钛：0.30％～0.75％；碳：0.08％～0.12％；氮：0.01％～0.03％；硫和磷均低于100ppm；余量为fe和无法避免的微量元素。

7、可选地，按重量百分比含量计，所述铁铬铝合金由以下组分组成：

8、铬：10.0％；铝：4.0％；硅：0.7％；锰：0.7％；钛：0.30％；碳：0.08％；氮：0.01％；硫：＜100ppm；磷：＜100ppm；余量为fe和无法避免的微量元素。

9、可选地，按重量百分比含量计，所述铁铬铝合金由以下组分组成：

10、铬：10.0％；铝：4.0％；硅：0.7％；锰：0.2％；钛：0.50％；碳：0.10％；氮：0.02％；硫：＜100ppm；磷：＜100ppm；余量为fe和无法避免的微量元素。

11、可选地，按重量百分比含量计，所述铁铬铝合金由以下组分组成：

12、铬：12.0％；铝：5.0％；硅：0.7％；锰：0.2％；钛：0.50％；碳：0.10％；氮：0.02％；硫：＜100ppm；磷：＜100ppm；余量为fe和无法避免的微量元素。

13、可选地，按重量百分比含量计，所述铁铬铝合金由以下组分组成：

14、铬：12.0％；铝：5.0％；硅：0.7％；锰：0.2％；钛：0.75％；碳：0.10％；氮：0.03％；硫：＜100ppm；磷：＜100ppm；余量为fe和无法避免的微量元素。

15、根据本发明的另一方面，还提供了一种前述适用于铅基堆的铁铬铝合金的热处理方法，包括对所述铁铬铝合金进行固溶处理，所述固溶处理包括：

16、在1020℃～1120℃保温20～45min，然后通过水淬法快速冷却至室温。

17、可选地，在所述固溶处理之后，该热处理方法还包括对所述铁铬铝合金进行稳定化处理，所述稳定化处理具体包括：

18、在860℃～950℃保温20～45min后空冷至室温。

19、本发明提供的适用于铅基堆的铁铬铝合金，在一些传统的组分之外，按重量百分比含量计还包含0.30％～0.75％的钛和0.01％～0.03％的氮。相对于传统的铁铬铝合金，本发明的铁铬铝合金的成分中添加了一定量的钛和氮。由于钛的前驱和协同作用，有利于在材料表面形成致密的α-氧化铝薄膜，以阻止液态铅及铅合金的腐蚀，从而使本发明的铁铬铝合金具有抗液态铅及铅合金腐蚀的性能。同时，由于钛和氮的存在，在铁铬铝合金内部可以大量析出mx型纳米ti(c,n)增强相，从而显著提高铁铬铝合金及其接头的力学性能。这使得本发明的铁铬铝合金还可以同时具有较好的高温强度和焊接性能，特别适用于铅基堆的结构材料。

20、进一步地，在本发明提供的铁铬铝合金的热处理方法中，对合金进行固溶处理，并进行稳定化处理。本发明的热处理工艺，使合金内部大量弥散析出高温稳定的mx型纳米ti(c,n)增强相，并可以抑制合金焊接接头处晶粒异常长大，从而显著提高铁铬铝合金及其接头的力学性能，使铁铬铝合金不仅具有良好的室温力学性能和高温强度，还具有良好的焊接性能。

21、上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

22、根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

技术特征：

1.一种适用于铅基堆的铁铬铝合金，其特征在于，所述铁铬铝合金按重量百分比含量计包含0.30％～0.75％的钛和0.01％～0.03％的氮。

2.根据权利要求1所述的适用于铅基堆的铁铬铝合金，其特征在于，按重量百分比含量计，所述铁铬铝合金由以下组分组成：

3.根据权利要求1或2所述的适用于铅基堆的铁铬铝合金，其特征在于，按重量百分比含量计，所述铁铬铝合金由以下组分组成：

4.根据权利要求1或2所述的适用于铅基堆的铁铬铝合金，其特征在于，按重量百分比含量计，所述铁铬铝合金由以下组分组成：

5.根据权利要求1或2所述的适用于铅基堆的铁铬铝合金，其特征在于，按重量百分比含量计，所述铁铬铝合金由以下组分组成：

6.根据权利要求1或2所述的适用于铅基堆的铁铬铝合金，其特征在于，按重量百分比含量计，所述铁铬铝合金由以下组分组成：

7.根据权利要求1-6中任一项所述的适用于铅基堆的铁铬铝合金的热处理方法，包括对所述铁铬铝合金进行固溶处理，其特征在于，所述固溶处理包括：

8.根据权利要求7所述的热处理方法，其特征在于，在所述固溶处理之后，还包括对所述铁铬铝合金进行稳定化处理，所述稳定化处理具体包括：

技术总结
本发明提供了一种适用于铅基堆的铁铬铝合金及其热处理方法。按重量百分比含量计，该铁铬铝合金由以下组分组成：铬：10.0％～14.0％；铝：3.0％～5.0％；硅：0.2％～1.0％；锰：0.2％～0.7％；钛：0.30％～0.75％；碳：0.08％～0.12％；氮：0.01％～0.03％；硫和磷均低于100ppm；余量为Fe和无法避免的微量元素。该铁铬铝合金可在材料表面形成致密的氧化膜，从而阻止液态铅及铅合金的腐蚀，特别适用于铅基堆的结构材料。

技术研发人员：请求不公布姓名
受保护的技术使用者：中子时代（青岛）创新科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15