反应堆乏燃料贮运用特种钢基合金材料及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种反应堆乏燃料贮运用特种钢基合金材料及其制备方法，特种钢基合金材料具有如下的成分及质量百分比：C≤0.03%，N≤0.02%，S≤0.01%，P≤0.03%，Mn≤1.0%，Cr：10.0～32.0%，Al：3.0～20.0%，B:0.5?5.0%，Ti:0.75?12.5%，其余部分为铁和不可避免的杂质，且Ti含量与B含量之比满足Ti:B=1.5?2.5。经配料和真空感应熔制过程中原位形成微纳米级TiB2颗粒后，经浇注成型，再经热锻、热轧和退火处理等工艺，最终制得一种反应堆乏燃料贮运用特种钢基合金材料棒材或板材。本发明特种钢基合金材料具有强度高、成本低，耐腐蚀和加工成型性优良等优点。
【专利说明】
反应堆乏燃料贮运用特种钢基合金材料及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种不锈钢合金材料及其制备方法，特别是涉及一种含铝铁素体不锈 钢合金材料及其制备方法，应用于核功能钢铁合金材料技术领域。
【背景技术】
[0002] 核能作为高效、清洁的能源，不仅在安全性、稳定性以及对环境的保护性上具有明 显的优势，更是一种经济的能源，在未来的能源机构中必将成为新一代的能源支柱。在利用 核能的同时，也伴随着乏燃料的产生，核反应堆卸出的乏燃料具有极强的α、β、γ放射性，伴 有一定的中子发射率，并伴随放出热量。乏燃料从反应堆中卸出后需在乏燃料水池中贮存 一段时间，以使短半衰期的放射性核素绝大部分衰变掉，并带走其衰变热。通常每台百万千 瓦级核电机组每年可卸出25吨乏燃料，目前我国积累的乏燃料已达到1000吨以上；按照我 国目前核电发展规模和速度测算，到2020年我国将累计产生乏燃料7500吨-1万吨，2030年 将达到2万吨-2.5万吨。目前广泛使用的用作反应堆乏燃料贮运用的是硼钢，近年已能连铸 生产质量分数为〇. 6 %B和1.0 %B的不锈钢，其强度高、耐蚀性优良、吸收中子能力良好。但 是，硼在不锈钢中的溶解度低，过量的硼加入会析出硼化物(Fe、Cr)2B，导致热延性大大降 低，而且制备出更高硼含量的硼钢是非常困难的。B4C/A1中子吸收材料存在工艺复杂、B4C 与Al严重的界面反应、耐腐蚀、抗辐照能力、以及使用过程中的老化等问题。
【发明内容】
[0003] 为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种 反应堆乏燃料贮运用特种钢基合金材料及其制备方法，大幅度降低原材料成本，本发明特 种钢基合金材料可以用作反应堆乏燃料的贮运，材料易加工。
[0004] 为达到上述发明创造目的，本发明采用如下发明构思：
[0005] 根据钛与硼合金化原理，本发明通过大量试验研究发现，在高铝铁素体不锈钢真 空感应熔炼过程中，加入合适比例的钛和硼可原位合成弥散均匀分布的微纳TiB2颗粒，并 使微纳TiB2颗粒弥散均匀分布于特种钢基合金材料中，从而制备高硼含量的特种钢基合金 材料。
[0006] 根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：
[0007] -种反应堆乏燃料贮运用特种钢基合金材料，其主要成分按照如下质量百分比 (%)组成?0.03%小彡0.02%，5彡0.01%，卩彡0.03%，]?11彡1.0%，0:10.0~32.0%， Al :3.0~20.0%，B:0.5-5.0%，Ti :0.75-12.5%，其余部分主要为铁和不可避免的杂质，随 B含量的增加，Ti含量增加，且Ti含量与B含量的质量之比满足Ti :B=( 1.5~2.5): 1。
[0008] 作为本发明优选的技术方案，特种钢基合金材料成分还含有Si和Mo中的至少一种 元素，以成分的质量百分比（％)计，含量为Si<3.0%，M 〇<3.0%。
[0009] 作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，特种钢基合金材料主要成分按照如 下质量百分比（％ )组成：C: 0.016~0.02%，N: 0.002~0.004%，S: 0.001~0.003%，P: 0.015~0.02%，Mn彡1.0%，Cr:18.5~25.6%，A1:5.0~13.0%，B:0.5-5.0%，Ti:0.75-12.5%，Si : 0.5~0.8%，其余部分为铁。作为更进一步优选的技术方案，特种钢基合金材料 主要成分按照如下质量百分比（％ )组成：C:0.016~0.02%，N:0.002~0.004%，S:0.001~ 0.003%，P:0.015~0.02%，Cr :18.5~25.6%，Α1:5·0~13.0%，B:2.5%，Ti :5.5%，Si: 0.5~0.8%，其余部分为铁。
[0010] 作为上述技术方案的另一种进一步优选的技术方案，特种钢基合金材料主要成分 按照如下质量百分比（％)组成：C:0.015 ~0.03%，N:0.005~0.02%，S:0.001~0.01%，P: 0.01~0.02%，Cr:20.5~22.3%，Al :6.0~10.3%，B:2.0-4.5%，Ti:4.2-10.0%，Mo:0.7 ~1.5%，其余部分为铁。
[0011] -种反应堆乏燃料贮运用特种钢基合金材料的制备方法，包括如下步骤：
[0012] a.采用真空感应熔炼工艺，在原料配料时，主要原料成分按照如下质量百分比 (%)组成进行原料配料《0.03%氺彡0.02%，5彡0.01%，卩彡0.03%，]\111彡1.0%，(> : 10 ·0~32.0%，A1:3.0~20.0%，B:0.5-5.0%，Ti :0.75-12.5%，其余原料成分为铁，随原 料中B添加量的增加，Ti添加量增加，且Ti添加量与B添加量的质量之比满足Ti :B= (1.5~ 2.5): 1，将配料后称量的全部原料进行真空感应熔炼，得到合金熔体;原料组成中还添加优 选含有Si和Mo中的至少一种元素，以原料组分的质量百分比（％ )计，含量为Si彡3.0%，Mo 彡3.0% ;原料主要成分优选按照如下质量百分比（％ )组成:C:0.016~0.02%，N:0.002~ 0.004%，S:0.001~0.003%，Ρ:0·015~0.02%，Mn彡1.0%，Cr:18.5~25.6%，Α1:5·0~ 13.0%，B:0.5-5.0%，Ti :0.75-12.5%，Si :0.5~0.8%，其余原料成分为铁;原料主要成分 进一步优选按照如下质量百分比（％ )组成：C:0.016~0.02%，N:0.002~0.004%，S:0.001 ~0.003%，P:0.015~0.02%，Cr :18.5~25.6%，Al:5.0~13.0%，B:2.5%，Ti:5.5%，Si: 0.5~0.8%，其余原料成分为铁;原料主要成分另外优选按照如下质量百分比（％)组成:C: 0.015~0.03%，N :0.005~0.02%，S:0.001~0.01%，P:0.01~0.02%，Cr:20.5~22.3%， Al :6.0~10.3%，B:2.0-4.5%，Ti :4.2-10.0%，Mo:0.7~1.5%，其余原料成分为铁；
[0013] b.将在所述步骤a中制备的合金熔体浇铸成型，将浇铸得到的合金铸锭依次经热 锻、热乳和退火热处理工艺，最终制得反应堆乏燃料贮运用特种钢基合金材料棒材或板材。
[0014] 本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
[0015] 1.与传统的硼钢或B4C/A1基复合材料相比，采用真空感应熔炼工艺，经综合配料 和熔制过程中原位形成微纳米级TiB2颗粒后，经浇注成型，再经热锻、热乳和退火处理等工 艺，最终制得一种反应堆乏燃料贮运用特种钢基合金材料棒材或板材，本发明反应堆乏燃 料贮运用特种钢基合金材料具有强度高、成本低，耐腐蚀和加工成型性优良等特点；
[0016] 2.本发明反应堆乏燃料贮运用特种钢基合金材料在其成分范围内的钢经热乳和 退火处理后，其室温拉伸断裂强度在600~1000 Mpa范围，有效抑制使用过程中的易老化的 缺陷，是未来替换传统的硼钢或B4C/A1基复合材料等系列的最佳候选材料，可以大幅度降 低原材料成本。
【具体实施方式】
[0017] 本发明的优选实施例详述如下：
[0018] 实施例一：
[0019] 在本实施例中，一种反应堆乏燃料贮运用特种钢基合金材料的制备方法，包括如 下步骤：
[0020] a.采用真空感应熔炼工艺，在原料配料时，采用的原料成分按照如下质量百分比 (% )组成进行原料配料： Cr 18.5%； Al 5 0%； Ti 5.5%； B 2,5%; G 0.02% ；
[0021] Si 0, 5%； S Q, 003%； N 0.004%； P 0.02%； Fe 余量；
[0022] 将配料后称量的全部原料进行真空感应熔炼，得到合金熔体；
[0023] b.将在所述步骤a中制备的合金熔体浇铸成型，将浇铸得到的合金铸锭依次经热 锻、热乳和退火热处理工艺，最终制得反应堆乏燃料贮运用特种钢基合金材料棒材。
[0024]本实施例采用真空感应熔炼工艺，经综合配料熔制过程中原位形成微纳米级TiB2 颗粒后，经浇注成型，再经热锻、热乳和退火处理等工艺，最终制得一种反应堆乏燃料贮运 用特种钢基合金材料棒材。经过实验测试，测试结果表明，本实施例制备的特种钢基合金材 料棒材的室温拉伸断裂强度大于750MPa。本实施例制备的特种钢基合金材料的力学和耐蚀 性能优于传统的硼钢或B4C/A1基复合材料，可以用作反应堆乏燃料贮运用等方面的管料和 板材等零部件，是未来替换传统的硼钢或B4C/A1基复合材料等系列的最佳候选材料，可以 大幅度降低原材料成本。
[0025] 实施例二：
[0026] 本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
[0027] 在本实施例中，一种反应堆乏燃料贮运用特种钢基合金材料的制备方法，包括如 下步骤：
[0028] a.采用真空感应熔炼工艺，在原料配料时，采用的原料成分按照如下质量百分比 (% )组成进行原料配料： Cr 25.6%；： Al 13.0%； Ti 5.5%； B 2.5%； C 0 016%：
[0029] Si 0.8%； S 0.001%； N 0.002%； P 0,015%； Fe 余量；
[0030] 将配料后称量的全部原料进行真空感应熔炼，得到合金熔体；
[0031] b.本步骤与实施例一相同。
[0032] 经过实验测试，测试结果表明，本实施例制备的特种钢基合金材料棒材的室温拉 伸断裂强度大于900MPa。本实施例制备的特种钢基合金材料的力学和耐蚀性能优于传统的 硼钢或B4C/A1基复合材料，可以用作反应堆乏燃料贮运用等方面的管料和板材等零部件， 是未来替换传统的硼钢或B4C/A1基复合材料等系列的最佳候选材料，可以大幅度降低原材 料成本。
[0033] 实施例三：
[0034] 本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：
[0035] 在本实施例中，一种反应堆乏燃料贮运用特种钢基合金材料的制备方法，包括如 下步骤：
[0036] a.采用真空感应熔炼工艺，在原料配料时，采用的原料成分按照如下质量百分比 (% )组成进行原料配料： Cr 22.3%； Al 6.0%； Ti 10.0%； B 4 5%; C 0.03%；
[0037] Mo 0. 7%; S 0.001%； .N 0.005%； P 0.02%； Fe 余量；
[0038]将配料后称量的全部原料进行真空感应熔炼，得到合金熔体；
[0039] b.本步骤与实施例一相同。
[0040]经过实验测试，测试结果表明，本实施例制备的特种钢基合金材料棒材的室温拉 伸断裂强度大于850MPa。本实施例制备的特种钢基合金材料的力学和耐蚀性能优于传统的 硼钢或B4C/A1基复合材料，可以用作反应堆乏燃料贮运用等方面的管料和板材等零部件， 是未来替换传统的硼钢或B4C/A1基复合材料等系列的最佳候选材料，可以大幅度降低原材 料成本。
[0041 ] 实施例四：
[0042] 本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：
[0043] 在本实施例中，一种反应堆乏燃料贮运用特种钢基合金材料的制备方法，包括如 下步骤：
[0044] a.采用真空感应熔炼工艺，在原料配料时，采用的原料成分按照如下质量百分比 (% )组成进行原料配料： Cr 20.5%； Al 10.3%； Ti 4.2%； B 2.0%；
[0045] C 0.015%； Mo 1.5%； S 0 01%； H 0.02%； P 0.01%；
[0046] Fe 余量；
[0047] 将配料后称量的全部原料进行真空感应熔炼，得到合金熔体；
[0048] b.本步骤与实施例一相同。
[0049] 经过实验测试，测试结果表明，本实施例制备的特种钢基合金材料棒材的室温拉 伸断裂强度大于860MPa。本实施例制备的特种钢基合金材料的力学和耐蚀性能优于传统的 硼钢或B4C/A1基复合材料，可以用作反应堆乏燃料贮运用等方面的管料和板材等零部件， 是未来替换传统的硼钢或B4C/A1基复合材料等系列的最佳候选材料，可以大幅度降低原材 料成本。
[0050] 上面对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发 明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改 变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不 背离本发明反应堆乏燃料贮运用特种钢基合金材料及其制备方法的技术原理和发明构思， 都属于本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种反应堆乏燃料贮运用特种钢基合金材料，其特征在于，其主要成分按照如下质 量百分比（％)组成《0.03%，N$0.02%，S<0.01%，P<0.03%，Mn<1.0%，Cr:10.0~32.0%， A1:3.0~20.0%，B:0.5-5.0%，Ti :0.75-12.5%，其余部分主要为铁和不可避免的杂质，随B含 量的增加，Ti含量增加，且Ti含量与B含量的质量之比满足Ti:B=(1.5~2.5):1。2. 根据权利要求1所述反应堆乏燃料贮运用特种钢基合金材料，其特征在于:其成分还 含有Si和Mo中的至少一种元素，以成分的质量百分比(％)计，含量为Si彡3.0%，M〇彡3.0%。3. 根据权利要求2所述反应堆乏燃料贮运用特种钢基合金材料，其特征在于:主要成分 按照如下质量百分比（％)组成：C: 0.016 ~0·02%，Ν: 0.002 ~0.004%，S: 0.001~0·003%，Ρ: 0.015~0.02%，Mn$1.0%，Cr:18.5~25.6%，Al:5.0~13.0%，B :0.5-5.0%，Ti:0.75-12.5%， Si :0.5~0.8%，其余部分为铁。4. 根据权利要求3所述反应堆乏燃料贮运用特种钢基合金材料，其特征在于:主要成分 按照如下质量百分比（％)组成：C: 0.016 ~0·02%，Ν: 0.002 ~0.004%，S: 0.001~0·003%，Ρ: 0 · 015~0 · 02%，Cr: 18 · 5~25 · 6%，Α1:5 · 0~13 · 0%，Β: 2 · 5%，Ti : 5 · 5%，Si : 0 · 5~0 · 8%，其余部 分为铁。5. 根据权利要求2所述反应堆乏燃料贮运用特种钢基合金材料，其特征在于:主要成分 按照如下质量百分比（％)组成：C:0.015 ~0·03%，Ν:0·005 ~(h02%，S:0.001 ~0·01%，Ρ:0·01 ~0·02%，Cr:20·5~22·3%，Α1:6·0~10·3%，Β:2·0-4·5%，Ti:4·2-10·0%，Μ〇:0·7~1·5%，其 余部分为铁。6. -种反应堆乏燃料贮运用特种钢基合金材料的制备方法，其特征在于，包括如下步 骤： a. 采用真空感应熔炼工艺，在原料配料时，主要原料成分按照如下质量百分比（％)组 成进行原料配料：0 · 03%，N彡0 · 02%，S彡0 · 01%，P彡0 · 03%，Μη彡 1 · 0%，Cr: 10 · 0~32 · 0%， A1:3.0~20.0%，B:0.5-5.0%，Ti :0.75-12.5%，其余原料成分主要为铁，随原料中B添加量的 增加，Ti添加量增加，且Ti添加量与B添加量的质量之比满足Ti : B=( 1.5~2.5) : 1，将配料后 称量的全部原料进行真空感应熔炼，得到合金熔体； b. 将所述步骤a中制备的合金熔体浇铸成型，将浇铸得到的合金铸锭依次经热锻、热 乳和退火热处理工艺，最终制得反应堆乏燃料贮运用特种钢基合金材料棒材或板材。7. 根据权利要求6所述反应堆乏燃料贮运用特种钢基合金材料的制备方法，其特征在 于:在所述步骤a中，原料组成中还添加含有Si和Mo中的至少一种元素，以原料组分的质量 百分比（％)计，含量为Si彡3 · 0%，M〇彡3 · 0%。8. 根据权利要求7所述反应堆乏燃料贮运用特种钢基合金材料的制备方法，其特征在 于:在所述步骤a中，原料主要成分按照如下质量百分比(％)组成:C: 0.016~0.02%，N: 0.002 ~0.004%，S:0.001~0·003%，Ρ:0·015~0·02%，Μη彡1.0%，Cr:18.5~25·6%，Α1:5·0~ 13·0%，Β:0· 5-5.0%，Ti :0.75-12.5%，Si :0.5~0.8%，其余原料成分为铁。9. 根据权利要求8所述反应堆乏燃料贮运用特种钢基合金材料的制备方法，其特征在 于:在所述步骤a中，原料主要成分按照如下质量百分比(％)组成:C: 0.016~0.02%，N: 0.002 ~0.004%，S:0.001~0·003%，Ρ:0·015~0.02%，Cr:18.5~25·6%，Α1:5·0~13·0%，Β:2·5%， Ti : 5 · 5%，Si : 0 · 5~0 · 8%，其余原料成分为铁。10. 根据权利要求7所述反应堆乏燃料贮运用特种钢基合金材料的制备方法，其特征在 于:在所述步骤a中，原料主要成分按照如下质量百分比(％)组成:C: 0.015~0.03%，Ν: 0.005 ~0.02%，S:0.001~0.01%，P:0.01~0.02%，Cr:20.5~22.3%，Al:6.0~10.3%，B:2.0-4.5%， Ti :4· 2-10·0%，Mo:0· 7~1 · 5%，其余原料成分为铁。
【文档编号】C22C38/32GK106086692SQ201610417470
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月13日 公开号201610417470.7, CN 106086692 A, CN 106086692A, CN 201610417470, CN-A-106086692, CN106086692 A, CN106086692A, CN201610417470, CN201610417470.7
【发明人】肖学山, 王雷, 武昭妤, 李钧, 徐裕来, 杨智, 彭伟, 张华伟, 李帅, 洪笑宇
【申请人】上海大学