弥散析出相强化高Cr高Ni奥氏体不锈钢及热加工方法，该不锈钢成分：Si：0.2-0.8；Mn：不大于2；Cr：20-28；Ni：16-25；Mo：不大于3；Ti：0-1；W：0-1；Zr：0-1；V；0-1；余量为Fe。按上述各成分配比称取，精炼和铸模：热锻造，热轧工艺为：1180-1230℃，终轧温度在1030℃以上，四道次轧成，每次变形量不小于40%，淬水冷却；在温度为1120-1200℃，保温20min-1h；立即淬水；进行高温退火处理，温度为950-1050℃，保温1.5-4h，然后随炉冷或空冷至室温，直接淬水快速冷却。本发明通过综合添加Ti、W、V和Zr与C元素，在高温变形过程中析出MC相，热成型后，细小弥散析出相对材料，通过控制后续的热变形加工参数和热处理制度，冷却速率控制弥散第二相的尺寸。
1.一种弥散析出相强化高Cr高Ni奥氏体不锈钢的热加工方法，其特征在于：
Fe-22-28wt.%Cr-21 wt.%Ni+0.6 wt.%Ti+0.6 wt.%Zr+0.5 wt.%W+0.5wt.%V+1.5 wt.%Mn+0.8 wt.%Si+0.10 wt.%C，置于真空感应熔炼炉中升温抽真空，在氩气气氛保护，合金块全部溶解后进行精炼、铸模：然后在高温950-1200℃范围内进行锻造成长方体便于加工和测试使用，采用3:1的锻造比例，锻造完成后试样尺寸为：200mm×140mm×30mm，然后对锻造钢样进行高温轧制，开轧温度1190℃，终轧温度在1030℃以上，四道次轧成，热轧总压下率为80%，轧完后直接淬水快速冷却，热变形加工的样品在1150℃固溶处理，保温50min；然后立即淬水；随后进行高温退火处理，温度1050℃，保温3h，然后随炉冷或空冷至室温，其室温抗拉强度为615 MPa，屈服强度405 MPa，延伸率26.6%。
2.一种弥散析出相强化高Cr高Ni奥氏体不锈钢的热加工方法，其特征在于：该奥氏体不锈钢的设计的成分体系为：Fe-28 wt.%Cr-18wt.%Ni+0.4wt.%Ti+0.4wt.%Zr+0.3wt.%Mo+0.3wt.%V+0.5wt.%Si+0.08 wt.%C，置于真空感应熔炼炉中升温抽真空，在氩气气氛保护，合金块全部溶解后进行精炼、锻造完成后试样尺寸为：200mm×140mm×30mm，然后对锻造钢样进行高温轧制，开轧温度1200℃，终轧温度在1030℃以上，四道次轧成，热轧总压下率为80%，轧完后直接淬水快速冷却，热变形加工的样品在1180℃固溶处理，保温40min；然后立即淬水；随后进行高温退火处理，温度1050℃，保温3.5 h，然后随炉冷或空冷至室温，其室温抗拉强度为765 MPa，屈服强度525 MPa，延伸率33.6%。
3.一种弥散析出相强化高Cr高Ni奥氏体不锈钢的热加工方法，其特征在于：该奥氏体不锈钢的设计的成分体系为：Fe-25 wt.%Cr-20 wt.%Ni+0.2Ti+0.2 wt.%Zr+0.1 wt.%W+0.15 wt.%V+1.2 wt.%Mn+0.6 wt.%Si+0.1 wt.%C，在上述钢锭中且取1/3，进行锻造，锻造的初始温度为1180℃，终止温度为900℃，锻造比3:1，锻造完成后试样尺寸为：
然后对锻造钢样进行高温轧制，开轧温度1200℃，终轧温度在1030℃以上，四道次轧成，热轧总压下率为80%，轧完后直接淬水快速冷却，热变形加工的样品在1160℃固溶处理，保温60min；然后立即淬水；随后进行高温退火处理，温度1050℃，保温3.5 h，然后随炉冷或空冷至室温，其室温抗拉强度为629.07 MPa，屈服强度429.11 MPa，延伸率29.35%，其
700℃下的高温拉伸强度达360 MPa，屈服强度295 MPa，延伸率33%。
4.一种弥散析出相强化高Cr高Ni奥氏体不锈钢的热加工方法，其特征在于：该奥氏体不锈钢的设计的成分体系为：Fe-25 wt.%Cr-20 wt.%Ni+0.2 wt.%Ti+0.2 wt.%Zr+0.2 wt.%W+0.15 wt.%V+0Mn+2 wt.%Mo+0.6 wt.%Si+0.05 wt.%C，在上述钢锭中且取1/3，进行锻造，锻造的初始温度为1160℃，终止温度为900℃，锻造比3:1，锻造完成后试样尺寸为：
200mm×140mm×32mm，然后将锻造后的试样进行热轧加工，热轧工艺主要参数为：开轧温度
1180℃，四道次轧成，每次变形量不小于40%，轧完后试样直接淬水冷却，热变形加工的样品在1180℃固溶处理，保温50min；然后立即淬水；随后进行高温退火处理，温度1050℃，保温3 h，然后随炉冷或空冷至室温，室温抗拉强度为835 MPa，屈服强度645 MPa，延伸率
43.25%，其700℃下的高温拉伸强度达445 MPa，屈服强度385 MPa，延伸率28.5%。
弥散析出相强化高Cr高Ni奥氏体不锈钢的热加工方法
技术领域
[0001] 本发明适用于在极端服役条件下的材料，尤其是第四代超临界水反应堆用结构材料；也适用于超超临界燃煤发电系统用材料的设计与研发。特别是提供了能提高奥氏体不锈钢材料的高温性能的一种有效优化的途径。
背景技术
[0002] 随着世界经济和工业的高速发展，高性能材料越来越起到重要的作用，奥氏体不锈钢就是很受青睐的材料之一。但是随着工业的发展，不锈钢的应用也面临着挑战。如第四代反应堆为代表的新一代核能系统大多具有高温和高压、强辐射场和强腐蚀环境等特点，对包壳等关键部件材料提出了更苛刻的综合性能（高温力学性能（如抗蠕变能力）、化学性能（如抗腐蚀性能）、以及抗辐照能力）要求。因此在该领域，提高核工业用材料的综合性能成为亟待解决的问题。
发明内容
[0003] 为了解决上述问题，本发明的目的是一种微合金成分设计，通过添加易于形成弥散析出相的微合金元素，可以在Cr与C反应之前，优先与C发生反应形成碳化物，这样可以避免因Cr与C反应引起的贫Cr现象，从而大大提高材料的抗晶间腐蚀性能的的弥散析出相强化的高Cr高Ni奥氏体不锈钢及热加工方法。
[0004] 本发明的技术方案是：弥散析出相强化的高Cr高Ni奥氏体不锈钢，该奥氏体不锈钢的成分体系为（wt.%）：C不大于0.2；Si：0.2-0.8；Mn：0-2；Cr：20-28；Ni：16-25；Mo：0-3；Ti：0-1；W：0-1；Zr：0-1；V；0-1；P不大于0.03；S不大于0.02；余量为Fe。
[0005] 进一步，弥散析出相强化的高Cr高Ni奥氏体不锈钢，该奥氏体不锈钢的成分体系 为（wt.%）：C不 大 于0.1；Si：0.4-0.8；Mn：0-1.6；Cr：22-26；Ni：16-22；Mo：0-3；Ti：0.15-0.5；W：0-0.5；Zr：0.15-0.5；V；0.15-0.5；P不大于0.02；S不大于0.015；余量为Fe。
[0006] 本发明另一目的是提供上述不锈钢的热加工方法，本发明通过成分设计，以工业合金块为原料，在真空感应炉内熔炼后铸模成型，然后经过高温锻造后进行高温热轧成型。
[0007] 具体包括以步骤：
[0008] 步骤1.原料：按照上述成分比，分别为工业纯铁，镍板，铬块，硅块，锰块，钒铁，海绵钛，海绵锆，钨，碳棒与钼棒，在真空熔炼在真空感应熔炼炉（型号2G-0.025，频率为2500Hz）升温抽真空，在氩气气氛保护，合金块全部溶解后进行精炼、铸模：
[0009] 步骤2.热变形加工处理：
[0010] 首先，锻造工艺为：始锻温度为1160-1180℃，终锻温度为900℃，锻造比约3:1，然后空冷；
[0011] 其次，热轧工艺主要参数为：1180-1230℃，终轧温度在1030℃以上，四道次轧成，每次变形量不小于40%，轧完后直接淬水冷却；
[0012] 步骤3.热处理：将上述步骤处理过的合金进行固溶处理，温度为1120-1200℃，保温20min-1h；然后立即淬水；随后进行高温退火处理，温度范围950-1050℃，保温1.5-4h，然后随炉冷或空冷至室温，为了控制析出相的尺寸，也可采用加速冷却。以获得更多均匀分布的多种弥散析出相。
[0013] 本发明中在SUS310奥氏体不锈钢中添加有益的微合金化元素Ti、W、V和Zr来提高奥氏体不锈钢的热强性和抗辐照肿胀性能。析出相的生成、大小、分布等对材料的性能均产生影响，并可控制奥氏体不锈钢中晶粒度的大小，所以应在加工处理过程中既保证可以这种有益第二相的析出，又要合理控制析出相的尺寸和分布，发挥其改善性能的有益作用。
[0014] 在核反应堆系统中奥氏体不锈钢有待提高的性能主要有表现为在中等剂量的中子辐照下，其辐照肿胀系数较大。对超级奥氏体不锈钢的研究表明，弥散分布于基体内的第二相与奥氏体基体之间的相界面是吸收辐照引起的点缺陷的有效陷阱，可以大大提高材料的抗辐照肿胀性能。通过微合金成分设计，通过添加易于形成弥散析出相的微合金元素，可以在Cr与C反应之前，优先与C发生反应形成碳化物，这样可以避免因Cr与C反应引起的贫Cr现象，从而大大提高材料的抗晶间腐蚀性能。另一方面，这些MC的熔点较高，细小弥散的析出相对提高材料的力学性能也是非常有益的。为了改善现有奥氏体不锈钢的不足，更好的发挥其性能优势，我们在SUS310奥氏体不锈钢的基础上，通过添加微合金元素，并配合合理的热加工工艺提高奥氏体钢的高温性能。
[0015] 本发明的有益效果是：SUS310是奥氏体不锈钢中合金含量和性能较为优异的稳定奥氏体不锈钢，在其基础上通过添加微量合金元素改善其性能方面现存的缺点。综合添加Ti、W、V和Zr与C元素反应能力较强的元素，可以在高温变形过程中析出MC相，热成型后，因为细小弥散析出相对材料的性能更为有利（改善因晶界贫Cr产生的晶间腐蚀，析出相的弥散分布提高该奥氏体不锈钢的高温强度、改善抗辐照肿胀性能），所以本发明中通过控制后续的热变形加工参数和热处理制度，以及冷却速率（直接淬水）控制弥散第二相的尺寸。
附图说明
[0016] 图1为本发明实例3奥氏体不朽钢的显微组织形貌及弥散相的分布示意图。
[0017] 图2为本发明实例4奥氏体不朽钢的显微组织形貌及弥散相的分布示意图。
具体实施方式
[0018] 下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
[0019] 实施例1：含Mn和Ti、W、V和Zr奥氏体钢
[0020] 设计的成分体系为：Fe-22Cr-21Ni+0.6Ti+0.6Zr+0.5W+0.5V+1.5Mn+0.8Si+0.10C（wt.%）。原料为商品纯合金，按照上述方法冶炼浇注成型。然后在高温950-1200℃范围内进行锻造成长方体便于加工和测试使用。采用3:1的锻造比例，锻造完成后试样尺寸为：200mm×140mm×30mm。然后对锻造钢样进行高温轧制，开轧温度1190℃，终轧温度在1030℃以上，四道次轧成，热轧总压下率为80%，轧完后直接淬水快速冷却。热变形加工的样品在1150℃固溶处理，保温50min；然后立即淬水；随后进行高温退火处理，温度1050℃，保温3h，然后随炉冷或空冷至室温。与商用钢相比所得样品的强度得到明显提高，其室温抗拉强度为615 MPa，屈服强度405 MPa，延伸率26.6%。
[0021] 实施例2：含Mo和Ti、W、V和Zr的奥氏体钢
[0022] 设计 的成 分体 系为：Fe-28Cr-18Ni+0.4Ti+0.4Zr+0.3Mo+0.3V+0.5Si+0.08C（wt.%）。原料和熔炼方法与上述方法类似。始锻温度略高于实施例1，锻造完成后试样尺寸为：200mm×140mm×30mm。然后对锻造钢样进行高温轧制，开轧温度1200℃，终轧温度在1030℃以上，四道次轧成，热轧总压下率为80%，轧完后直接淬水快速冷却。热变形加工的样品在1180℃固溶处理，保温40min；然后立即淬水；随后进行高温退火处理，温度1050℃，保温3.5 h，然后随炉冷或空冷至室温。与商用钢相比所得样品的强度得到明显提高，其室温抗拉强度为765 MPa，屈服强度525 MPa，延伸率33.6%。
[0023] 实施例3：含Mn和较少量Ti、W、V和Zr奥氏体钢
[0024] 原料及熔炼过程如上所述。设计的成分体系为：Fe-25Cr-20Ni+0.2Ti+0.2Zr+0.1W+0.15V+1.2Mn+0.6Si+0.1C（wt.%）。在上述钢锭中且取约1/3，进行锻造。锻造的初始温度为1180℃，终止温度为900℃，锻造比3:1。锻造完成后试样尺寸为： 200mm×140mm×35mm。然后对锻造钢样进行高温轧制，开轧温度1200℃，终轧温度在1030℃以上，四道次轧成，热轧总压下率为80%，轧完后直接淬水快速冷却。热变形加工的样品在1160℃固溶处理，保温
60min；然后立即淬水；随后进行高温退火处理，温度1050℃，保温3.5 h，然后随炉冷或空冷至室温。其显微组织如图1（a）所示，可见有弥散分布的第二相分布于基体内。其室温抗拉强度为629.07 MPa，屈服强度429.11 MPa，延伸率29.35%，其700℃下的高温拉伸强度达360 MPa，屈服强度295 MPa，延伸率33%。
[0025] 实施例4：含Mo和少量Ti、W、V和Zr的奥氏体钢
[0026] 该奥氏体不锈钢的设计的成分体系为：Fe-25Cr-20Ni+0.2Ti+0.2Zr+0.2W+0.15V+0Mn+2Mo+0.6Si+0.05C（wt.%）。在上述钢锭中且取约1/3，进行锻造。锻造的初始温度为
1160℃，终止温度为900℃，锻造比3:1。锻造完成后试样尺寸为： 200mm×140mm×32mm。
然后将锻造后的试样进行热轧加工。热轧工艺主要参数为：开轧温度1180℃，四道次轧成，每次变形量不小于40%，轧完后试样直接淬水冷却，热变形加工的样品在1180℃固溶处理，保温50min；然后立即淬水；随后进行高温退火处理，温度1050℃，保温3 h，然后随炉冷或空冷至室温。其显微组织如图1（b）所示，可见有弥散分布的第二相分布于基体内。其室温抗拉强度为835 MPa，屈服强度645 MPa，延伸率43.25%，其700℃下的高温拉伸强度达445 MPa，屈服强度385 MPa，延伸率28.5%。
