一种耐液态金属腐蚀高铬马氏体耐热钢的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于耐热金属材料领域，具体涉及一种具有优良强韧性、优良高温蠕变性 能、耐液态金属腐蚀性能的马氏体耐热钢，特别是涉及一种耐液态金属腐蚀高铬马氏体耐 热钢。
【背景技术】
[0002] 液态金属如液态铅、铅铋等具有高导热率、低熔点和高沸点、低蒸汽压等优良特 性，被世界各国设计用作快中子反应堆、聚变反应堆以及加速器驱动次临界系统等先进核 反应系统回路或包层的冷却剂，同时由于其优良的中子学特性和抗辐照损伤性能还被设计 用作加速器驱动次临界系统的高能中子靶靶材。在这些先进核反应系统中，结构材料与作 为冷却剂或中子靶的液态金属直接接触，产生严重的腐蚀，如氧化腐蚀、氧化层剥落、合金 元素溶解以及脆化等等。以上要求结构材料不仅需具备良好的强韧性、还需在高温下具备 良好的热强性、耐液态金属腐蚀等综合性能。铬含量为9-12%的高铬马氏体耐热钢以其优 良的热强性、抗高温氧化性能以及较低的成本等优势，成为了先进核反应堆液态金属回路 结构材料的首选候选材料。世界各国在选择材料时，优先考虑已经商业化应用于火电机组 及裂变堆等非液态金属腐蚀环境下工作的耐热钢，如在加速器驱动次临界系统中，美国选 择了 T91、HT9高铬马氏体钢作为高负载部分(包壳、散裂靶结构）的结构材料。T91等马氏 体耐热钢的最初用途为火电机组蒸汽回路等高温部件的结构材料，尽管具备良好的抗空气 或水蒸气氧化性能，但其耐液态金属腐蚀性能较差。
[0003] 在现有技术中，专利文献1提供了与本发明相近、同一领域的马氏体结构材料。这 种马氏体结构材料尽管具有良好的抗氧化性能，但是由于其组织中存在含量<5%的S铁 素体，其强韧性特别是韧性较低，而且高温蠕变持久性能也较低。另外，该专利文献中并未 提到本发明中的特征，即获得全部马氏体组织，改善韧性和高温蠕变强度。
[0004] 专利文献 1 :申请号 201210589995. 0。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种具备优良强韧性、优良高温蠕变性能和耐液态金属腐 蚀性能的高铬马氏体耐热钢。本发明在专利文献1的基础上，设计出更为合理的高硅和高 铬含量来提高耐液态金属腐蚀性能，并通过较大幅度的调整碳、锰等元素含量来抑制S铁 素体生成以获得全马氏体组织，提高强韧性，采用钽、铌、钒等微合金化元素进行复合强化 提高高温蠕变性能，从而使耐热钢具有优良的强韧性、高温蠕变性能和耐液态金属腐蚀性 能。
[0006] 本发明通过以下技术方案实现：
[0007] -种耐液态金属腐蚀高铬马氏体耐热钢，其特征为所述耐热钢的合金元素重量百 分比为：〇? 18% 彡C彡 0? 26%，1. 0% <Si彡 1. 5%，10% <Cr彡 11. 5%，1. 0% <W彡 1. 5%，0% <Mn< 1. 0%，Ta+Nb:彡0? 3%，0% <V彡0? 2%，余量为铁；其中Ta和Nb不能同时为0。
[0008] 本发明所述耐液态金属腐蚀高铬马氏体耐热钢，其特征在于，所述马氏体耐热钢 中，C 优选为 0? 20wt. % 彡 C 彡 0? 24wt. %。
[0009] 本发明所述耐液态金属腐蚀高铬马氏体耐热钢，其特征在于，所述马氏体耐热钢 中，Cr 优选为 10wt. % < Cr < llwt. %。
[0010] 本发明所述耐液态金属腐蚀高铬马氏体耐热钢，其特征在于，所述马氏体耐热钢 中，Mn 优选为 0? 5wt. % 彡 Mn < 1. Owt. %。
[0011] 本发明所述耐液态金属腐蚀高铬马氏体耐热钢，其特征在于，所述马氏体耐热钢 中，Ta+Nb 优选为 0? lwt. % 彡（Ta+Nb)彡 0? 2wt. %。
[0012] 本发明所述耐液态金属腐蚀高铬马氏体耐热钢，其特征在于，所述马氏体耐热 钢中：P < 0? 005wt. %，S < 0? 004wt. %，Cu < 0? Olwt. %，Ti〈0,01Owt. %，A1〈0,01Owt. %， Co<0. 005wt. %〇
[0013] 本发明所述耐液态金属腐蚀高铬马氏体耐热钢，其特征在于，所述马氏体耐热钢 为全部马氏体组织。
[0014] 本发明所述耐液态金属腐蚀高铬马氏体耐热钢，其特征在于，所述马氏体耐热钢 在液态金属中腐蚀后，表面生成富含硅和铬且具有保护性的致密氧化膜。
[0015] 以下对构成本发明所述的马氏体耐热钢中的各元素作用及范围限定理由进行说 明：
[0016] 碳：在高铬马氏体耐热钢中，一方面碳与Cr、Fe、V、Nb等元素形成M23C 6*MX型 碳化物，产生析出强化，是耐热钢获得良好高温强度的主要方式；另一方面碳为奥氏体形 成元素，扩大奥氏体相区，保证钢良好的淬透性以获得全部马氏体组织。在高铬马氏体耐 热钢中，碳含量偏低，钢中会产生S铁素体组织，损害钢的韧性和高温蠕变性能，碳含量 偏高，促进钢中碳化物的粗化，降低钢的韧性、高温蠕变性能和耐蚀性能。本发明钢中，碳 含量范围选择为：〇. 18%彡C彡0. 26wt. %，既能保证获得全部马氏体组织，又能保持碳化 物较小的粗化速率以获得良好的高温蠕变性能和耐液态金属腐蚀性能。优选的碳含量为 0? 20% 彡 C 彡 0? 24wt. %。
[0017] 硅：硅可显著改善耐热钢的抗氧化腐蚀性能，硅与氧结合在耐热钢表面生成Si02 和FeSi204，提高氧化膜的致密度，阻碍氧和液态金属元素向基体渗入，从而有效降低耐热钢 的氧化速率和腐蚀速率。为达到该效果，钢中硅含量需要超过1. 〇%以有效抵抗液态金属的 腐蚀，而硅含量大于1.5%时，会促进钢中S铁素体的形成以及Laves相的快速析出，恶化 钢的高温蠕变性能。本发明钢中硅的添加含量限定为1. 〇% < Si彡1. 5wt. %。
[0018] 锰：锰是奥氏体形成元素，扩大奥氏体相区，显著降低钢的Acl温度和马氏体开始 转变温度，起到抑制S铁素体形成的作用。Mn含量过高会增大合金元素在基体中的扩散速 率，加速碳化物的粗化，降低基体的热稳定性。另外，高的锰含量还会导致锰偏聚以及和硫 结合生成硫化锰夹杂，因此，本发明钢中锰的含量选择为0% < Mn < 1. 0%。优选的锰含量为 0. 5% ^ Mn < lwt. %〇
[0019] 铬：铬是耐热钢中提高抗氧化性能的主添加元素，其不仅提高基体电位，还与氧结 合在耐热钢的表面生成致密的Cr203膜或是FeCr20 4尖晶石结构氧化膜，阻止氧与基体进一 步反应，达到抗氧化和抗腐蚀的目的。除此之外，铬还是极为重要的碳化物形成元素之一， 与碳结合形成Cr23C 6碳化物强化界面，提高组织热稳定性能。钢中的铬含量需超过10%才 能有效和硅产生协同作用抵抗液态金属的腐蚀，而随着钢中铬含量的进一步提高，尽管钢 的耐腐蚀性能提高，但是恶化持久性能且促进钢中S铁素体的析出。因此，综合考虑耐腐 蚀性能和高温蠕变性能，本发明钢中铬含量选择为10% < Cr< 11. 5wt. %。优选的铬含量为 10% < Cr 彡 llwt. %。
[0020] 钨：钨是固溶强化元素，也是铁素体稳定化元素。适量的W可以通过扩散固溶进入 M23C 6碳化物中起到抑制碳化物粗化的作用，提高耐热钢的高温蠕变性能。为达到此目的，钢 中鹤含量需超过1%，但是大量的鹤促进钢中Fe 2W型Laves相的析出及粗化，降低钢的高温 蠕变性能。因此，本发明钢中，钨含量范围选择为1. 〇% < W彡1. 5wt. %。
[0021] 钽、铌：为耐热钢中重要的析出相形成元素，与碳、氮结合生成MX型纳米级碳氮化 物，这些析出相在高温下具有优良的热稳定性，能有效的钉扎位错，是耐热钢中提高高温蠕 变性能的重要元素。钽是低活化元素，加入钽可部分替代铌的合金化作用，以获得具有低活 化特性的耐热钢。铌、钽含量过高，促进MX型析出相的粗化。因此必须将钽、铌的总含量限 定在0. 3%以下。本发明中，综合考虑将含量选择为Ta+Nb 0. 3wt. %。优选的Ta+Nb含量 为 0? 1% 彡（Ta+Nb)彡 0? 2wt. %。
[0022] 钒：钒为耐热钢中重要的析出相形成元素之一。一方面，钒具有强烈的固碳作用， 减缓碳化物的粗化，提高蠕变强度。另一方面，适量的钒在基体中生成纳米级碳氮化物，可 有效控制位错运动，提高耐热钢的高温蠕变性能。而高含量的钒会导致析出相快速粗化，因 此，本发明钢中钒含量选择为〇% < V彡0. 2wt. %。
[0023] 磷、硫：分别为钢中的有害元素和主要夹杂物形成元素。钢中磷含量偏高会降低钢 的韧性，使钢的韧脆转变温度急剧升高，此外还恶化钢的焊接性能。硫在钢中主要以MnS等 夹杂形式存在，不仅降低钢的韧性和塑性，而且降低锰的固溶作用。故本发明钢中，P、S控 制极为严格，控制 P < 〇? 〇〇5wt. %、S < 0? 004wt. %。
[0024] 本发明的益处为：
[0025] 铬含量为9-12%的传统高铬马氏体耐热钢无法满足高温下耐液态金属腐蚀性能 的要求。本发明通过采用更为合理的高硅和高铬含量来提高耐液态金属腐蚀性能，并通过 较大幅度的调整碳、锰等元素含量来抑制S铁素体生成以获得全马氏体组织提高强韧性， 采用钽、铌、钒等微合金化元素进行复合强化提高高温蠕变性能，从而使耐热钢具有了优良 的强韧性、高温蠕变性能和耐液态金属腐蚀性能。
【附图说明】