一种聚变堆用工业规模低活化马氏体钢板材的热加工方法转让专利
申请号 : CN201610715359.6
文献号 : CN106119492B
文献日 : 2017-11-07
发明人 : 徐刚 , 吴宜灿 , 黄群英 , 王伟 , 刘少军
申请人 : 中国科学院合肥物质科学研究院
摘要 :
本发明公开一种聚变堆用工业规模低活化马氏体钢板材的热加工方法，首先将冶炼好的铸锭加热至1180‑1280℃进行扩散退火，之后冷却至1150±20℃进行锻造。锻造完成后将坯料缓慢冷却至100℃以下，再进行760±10℃/6‑20h回火处理。所得坯料在1050‑1160℃保温80‑100min后进行轧制，空冷后直接进行740±20℃/90‑140min回火处理。本发明优化了工业规模低活化马氏体钢的锻造工艺，并采用热轧后直接空冷处理和高温回火处理相结合的方法，免去了热轧板材的固溶淬火处理工艺，节约时间和成本，同时使材料具有较好的强度、韧性。
权利要求 :
1.一种聚变堆用工业规模低活化马氏体钢板材的热加工方法，其特征在于：对聚变堆用工业规模低活化马氏体钢铸锭进行1180-1280℃保温25-45h扩散退火后，降温至1150±
20℃并保温1-5h后进行锻造，锻造完成后将坯料缓慢冷却至100℃以下，再进行760±10℃/
6-20h回火处理，获得热轧板材的锻造坯料，将坯料在1050-1160℃保温80-100min后进行轧制，轧制板材空冷后不做淬火处理，直接进行740±20℃/90-140min回火处理，即可获得成品板材。
2.根据权利要求1所述的一种聚变堆用工业规模低活化马氏体钢板材的热加工方法，其特征在于：锻造的开锻温度≥1050℃，终锻温度≥850℃，再烧时间≥30min。
3.根据权利要求1或2所述的一种聚变堆用工业规模低活化马氏体钢板材的热加工方法，其特征在于：轧制的终轧温度≥900℃，变形量≥400％。
说明书 :
一种聚变堆用工业规模低活化马氏体钢板材的热加工方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种材料的热加工方法，属于金属材料改性及塑性成型领域。
背景技术
[0002] 核聚变堆包层的服役环境远比核裂变更为恶劣，聚变堆包层的结构材料面临高能2
中子辐照(14MeV)、高温、高热流密度(>1MW/m)、复杂机械载荷以及液态金属腐蚀等多种复杂环境的协同作用。低活化铁素体/马氏体钢(RAFM钢)以其较高的热导率、较低的辐照肿胀和抗液态PbLi腐蚀等优越性以及较为成熟的工业基础，被普遍认为是聚变堆的首选结构材料。2002年以来，中国科学院核能安全技术研究所研发的中国低活化抗中子辐照结构钢CLAM(China Low Activation Martensitic)钢(ZL 200610085908.2)已进行了100余炉次的冶炼，开展了纯净化冶炼工艺探索，冶炼水平已发展到数百公斤级，主要设计成分含量基本达到了稳定可控水平，并制造出了各种板材。数百公斤级的CLAM加工工艺虽然对工业规模(6吨以上)CLAM钢板材的生产具有一定的参考意义，但是工业规模大尺寸的CLAM钢铸锭存在较为严重的偏析和组织性能的不均匀性，沿用以前的加工工艺，材料的屈服强度为
460MPa，室温冲击吸收功为130J，不满足聚变堆设计的使用要求。
中子辐照(14MeV)、高温、高热流密度(>1MW/m)、复杂机械载荷以及液态金属腐蚀等多种复杂环境的协同作用。低活化铁素体/马氏体钢(RAFM钢)以其较高的热导率、较低的辐照肿胀和抗液态PbLi腐蚀等优越性以及较为成熟的工业基础，被普遍认为是聚变堆的首选结构材料。2002年以来，中国科学院核能安全技术研究所研发的中国低活化抗中子辐照结构钢CLAM(China Low Activation Martensitic)钢(ZL 200610085908.2)已进行了100余炉次的冶炼，开展了纯净化冶炼工艺探索，冶炼水平已发展到数百公斤级，主要设计成分含量基本达到了稳定可控水平，并制造出了各种板材。数百公斤级的CLAM加工工艺虽然对工业规模(6吨以上)CLAM钢板材的生产具有一定的参考意义，但是工业规模大尺寸的CLAM钢铸锭存在较为严重的偏析和组织性能的不均匀性，沿用以前的加工工艺，材料的屈服强度为
460MPa，室温冲击吸收功为130J，不满足聚变堆设计的使用要求。
发明内容
[0003] 针对工业规模大尺寸低活化马氏体钢板材加工工艺存在的问题，本发明的目的是提供一种聚变堆用工业规模低活化马氏体钢板热轧板材加工方法，通过调整了坯料锻造工艺和板材热加工工艺，使得工业规模大尺寸低活化马氏体钢板各性能满足聚变堆的设计要求，也适合在裂变堆中的应用。
[0004] 本发明的技术方案如下：
[0005] 一种聚变堆用工业规模低活化马氏体钢热轧板材热加工方法，其主要成分为Cr 8.5～9.5％，W 1.2～1.7％，V 0.15～0.25％，Ta 0.12～0.18％，Mn 0.4～0.5％，C 0.8～
1.2％，其余为Fe元素。按此成分配比，在真空感应炉内对炉料进行熔炼:(1)真空度0.1-
10Pa充氩气至0.005-0.08MPA，熔化温度1450～1650℃；(2)合金加料顺序，首先熔化纯Fe，然后加入Cr、W，接着加入Ta、V，最后添加C、Mn，同时视纯铁中氧含量水平，在加Cr之前添加少量C进行脱氧处理；(3)在线检测合金元素成分并依据测试结果增补合金元素；(4)成分合格后在真空下浇注，浇注温度1450～1550℃。获得的6吨以上直径为400-800mm铸锭后的具体加工工艺如下：
1.2％，其余为Fe元素。按此成分配比，在真空感应炉内对炉料进行熔炼:(1)真空度0.1-
10Pa充氩气至0.005-0.08MPA，熔化温度1450～1650℃；(2)合金加料顺序，首先熔化纯Fe，然后加入Cr、W，接着加入Ta、V，最后添加C、Mn，同时视纯铁中氧含量水平，在加Cr之前添加少量C进行脱氧处理；(3)在线检测合金元素成分并依据测试结果增补合金元素；(4)成分合格后在真空下浇注，浇注温度1450～1550℃。获得的6吨以上直径为400-800mm铸锭后的具体加工工艺如下：
[0006] (1)坯料锻造工艺：将铸锭经1180-1280℃保温25-45h扩散退火后，降温至1150±20℃并保温1-5h后进行锻造，开锻温度：≥1050℃；终锻温度：≥850℃，再烧时间≥30min；
锻造完成后将坯料缓慢冷却至100℃以下，再进行760±10℃/6-20h回火处理，获得热轧板材的锻造坯料。
锻造完成后将坯料缓慢冷却至100℃以下，再进行760±10℃/6-20h回火处理，获得热轧板材的锻造坯料。
[0007] (2)将坯料在1050-1160℃保温80-100min后进行轧制，终轧温度≥900℃，变形量≥400％，轧制板材空冷后不做淬火处理，直接进行740±20℃/90-140min回火处理，即可获得成品板材。
[0008] 本发明适于6吨以上厚度在40-100mm工业规模低活化马氏体钢热轧板材的加工。
[0009] 本发明与现有低活化马氏体钢板材热加工工艺相比的优点在于：
[0010] (1)通过长时高温扩散退火，确保了合金元素的充分固溶，尤其适用于高Ta含量的低活化钢，提高了工业规模大铸锭的成分均匀性。
[0011] (2)通过轧制空冷后直接回火，省去了淬火处理环节，节约了时间和成本。
[0012] (3)本发明通过高温轧制形变热处理工艺，细化晶粒，可以使工业规模低活化马氏体钢板材具有良好室温强度和韧性以及高温持久性能。其室温力学性能为：屈服强度Rp0.2≥530MPa，抗拉强度板Rm≥690MPa，延伸率A≥20％，断面收缩率Z≥70％；横向冲击功和纵向冲击功Akv≥220J。在550℃，190MPa应力条件下的持久时间超过2000h，延伸率A≥25％，这些性能均满足聚变堆的设计要求，也适合在裂变堆中的应用。
具体实施方式
[0013] 实施例1
[0014] 一种聚变堆用低活化马氏体钢，其主要成分为Cr 9％，W 1.5％，V 0.20％，Ta 0.15％，Mn 0.45％，C 1.0％，其余为Fe元素。按此成分配比，在真空感应炉内对炉料进行熔炼:(1)真空度0.1-10Pa充氩气至0.005-0.08MPa，熔化温度1450～1650℃；(2)合金加料顺序，首先熔化纯Fe，然后加入Cr、W，接着加入Ta、V，最后添加C、Mn，同时视纯铁中氧含量水平，在加Cr之前添加少量C进行脱氧处理；(3)在线检测合金元素成分并依据测试结果增补合金元素；(4)成分合格后在真空下浇注，浇注温度1450～1550℃。获得的6吨以上直径为
400mm的铸锭
400mm的铸锭
[0015] (1)坯料锻造工艺：
[0016] 1)加热：对铸锭进行1180-1280℃保温25h扩散退火，入炉时炉温不超过600℃，施行阶梯式升温，升温速率不超过50℃/h，扩散退火结束后炉冷至1150±20℃并保温2h；
[0017] 2)锻造，开锻温度：≥1050℃；终锻温度：≥850℃，回炉再烧时间≥30min；
[0018] 3)退火：锻造完成后将坯料放入未加热的退火炉缓慢冷却至100℃以下，退火炉初始温度不超过200℃；
[0019] 4)回火：再将坯料进行加热760±10℃/8h回火处理，回火炉初始温度不超过100℃，升温速率不超过120℃/h，回火保温结束后随炉冷却至400℃以下出炉空冷，获得热轧板材的锻造坯料。
[0020] (2)板材热加工：
[0021] 1)热轧：将坯料在1050-1160℃保温80min后进行轧制，终轧温度≥900℃，变形量≥400％；
[0022] 2)热处理：轧制板材空冷后不做淬火处理，直接进行740±20℃/100min回火处理，回火炉初始温度不超过100℃，升温速率不超过120℃/h，回火后直接出炉空冷即可获得成品板材。
[0023] (3)对所得钢板进行性能测试，得到钢板不同位置的室温屈服强度Rp0.2均大于530MPa，，延伸率A均超过25％，横向冲击功和纵向冲击功Akv均高于220J；在550℃，190MPa应力条件下的持久时间均超过2000h。
[0024] 实施例2
[0025] 一种聚变堆用低活化马氏体钢，其主要成分为Cr 9％，W 1.5％，V 0.20％，Ta 0.15％，Mn 0.45％，C 1.0％，其余为Fe元素。按此成分配比，在真空感应炉内对炉料进行熔炼:(1)真空度0.1-10Pa充氩气至0.005-0.08MPa，熔化温度1450～1650℃；(2)合金加料顺序，首先熔化纯Fe，然后加入Cr、W，接着加入Ta、V，最后添加C、Mn，同时视纯铁中氧含量水平，在加Cr之前添加少量C进行脱氧处理；(3)在线检测合金元素成分并依据测试结果增补合金元素；(4)成分合格后在真空下浇注，浇注温度1450～1550℃。获得的6吨以上直径为
600mm的铸锭。
600mm的铸锭。
[0026] (1)坯料锻造工艺：
[0027] 1)加热：对铸锭进行1180-1280℃保温32h扩散退火，入炉时炉温不超过600℃，施行阶梯式升温，升温速率不超过50℃/h，扩散退火结束后炉冷至1150±20℃并保温3h；
[0028] 2)锻造，开锻温度：≥1050℃；终锻温度：≥850℃，回炉再烧时间≥30min；
[0029] 3)退火：锻造完成后将坯料放入未加热的退火炉缓慢冷却至100℃以下，退火炉初始温度不超过200℃；
[0030] 4)回火：再将坯料进行加热760±10℃/12h回火处理，回火炉初始温度不超过100℃，升温速率不超过120℃/h，回火保温结束后随炉冷却至400℃以下出炉空冷，获得热轧板材的锻造坯料。
[0031] (2)板材热加工：
[0032] 1)热轧：将坯料在1050-1160℃保温90min后进行轧制，终轧温度≥900℃，变形量≥400％；
[0033] 2)热处理：轧制板材空冷后不做淬火处理，直接进行740±20℃/120min回火处理，回火炉初始温度不超过100℃，升温速率不超过120℃/h，回火后直接出炉空冷即可获得成品板材。
[0034] (3)对所得钢板进行性能测试，得到钢板不同位置的室温屈服强度Rp0.2均大于530MPa，，延伸率A均超过25％，横向冲击功和纵向冲击功Akv均高于220J；在550℃，190MPa应力条件下的持久时间均超过2000h。
[0035] 实施例3：
[0036] 一种聚变堆用低活化马氏体钢，其主要成分为Cr 9％，W 1.5％，V 0.20％，Ta 0.15％，Mn 0.45％，C 1.0％，其余为Fe元素。按此成分配比，在真空感应炉内对炉料进行熔炼:(1)真空度0.1-10Pa充氩气至0.005-0.08MPa，熔化温度1450～1650℃；(2)合金加料顺序，首先熔化纯Fe，然后加入Cr、W，接着加入Ta、V，最后添加C、Mn，同时视纯铁中氧含量水平，在加Cr之前添加少量C进行脱氧处理；(3)在线检测合金元素成分并依据测试结果增补合金元素；(4)成分合格后在真空下浇注，浇注温度1450～1550℃。获得的6吨以上直径为
800mm的铸锭
800mm的铸锭
[0037] (1)坯料锻造工艺：
[0038] 1)加热：对铸锭进行1180-1280℃保温40h扩散退火，入炉时炉温不超过600℃，施行阶梯式升温，升温速率不超过50℃/h，扩散退火结束后炉冷至1150±20℃并保温4.5h；
[0039] 2)锻造，开锻温度：≥1050℃；终锻温度：≥850℃，回炉再烧时间≥30min；
[0040] 3)退火：锻造完成后将坯料放入未加热的退火炉缓慢冷却至100℃以下，退火炉初始温度不超过200℃；
[0041] 4)回火：再将坯料进行加热760±10℃/15h回火处理，回火炉初始温度不超过100℃，升温速率不超过120℃/h，回火保温结束后随炉冷却至400℃以下出炉空冷，获得热轧板材的锻造坯料。
[0042] (2)板材热加工：
[0043] 1)热轧：将坯料在1050-1160℃保温100min后进行轧制，终轧温度≥900℃，变形量≥400％；
[0044] 2)热处理：轧制板材空冷后不做淬火处理，直接进行740±20℃/130min回火处理，回火炉初始温度不超过100℃，升温速率不超过120℃/h，回火后直接出炉空冷即可获得成品板材。
[0045] (3)对所得钢板进行性能测试，得到钢板不同位置的室温屈服强度Rp0.2均大于530MPa，，延伸率A均超过25％，横向冲击功和纵向冲击功Akv均高于220J；在550℃，190MPa应力条件下的持久时间均超过2000h。
[0046] 实施例4：
[0047] 一种聚变堆用低活化马氏体钢，其主要成分为Cr 8.8％，W 1.5％，V 0.20％，Ta 0.18％，Mn 0.5％，C 1.0％，其余为Fe元素。按此成分配比，在真空感应炉内对炉料进行熔炼:(1)真空度0.1-10Pa充氩气至0.005-0.08MPa，熔化温度1450～1650℃；(2)合金加料顺序，首先熔化纯Fe，然后加入Cr、W，接着加入Ta、V，最后添加C、Mn，同时视纯铁中氧含量水平，在加Cr之前添加少量C进行脱氧处理；(3)在线检测合金元素成分并依据测试结果增补合金元素；(4)成分合格后在真空下浇注，浇注温度1450～1550℃。获得的6吨以上直径为
400mm的铸锭。
400mm的铸锭。
[0048] (1)坯料锻造工艺：
[0049] 1)加热：对铸锭进行1180-1280℃保温25h扩散退火，入炉时炉温不超过600℃，施行阶梯式升温，升温速率不超过50℃/h，扩散退火结束后炉冷至1150±20℃并保温2h；
[0050] 2)锻造，开锻温度：≥1050℃；终锻温度：≥850℃，回炉再烧时间≥30min；
[0051] 3)退火：锻造完成后将坯料放入未加热的退火炉缓慢冷却至100℃以下，退火炉初始温度不超过200℃；
[0052] 4)回火：再将坯料进行加热760±10℃/8h回火处理，回火炉初始温度不超过100℃，升温速率不超过120℃/h，回火保温结束后随炉冷却至400℃以下出炉空冷，获得热轧板材的锻造坯料。
[0053] (2)板材热加工：
[0054] 1)热轧：将坯料在1050-1160℃保温80min后进行轧制，终轧温度≥900℃，变形量≥400％；
[0055] 2)热处理：轧制板材空冷后不做淬火处理，直接进行740±20℃/100min回火处理，回火炉初始温度不超过100℃，升温速率不超过120℃/h，回火后直接出炉空冷即可获得成品板材。
[0056] (3)对所得钢板进行性能测试，得到钢板不同位置的室温屈服强度Rp0.2均大于550MPa，，延伸率A均超过21％，横向冲击功和纵向冲击功Akv均高于220J；在550℃，190MPa应力条件下的持久时间均超过2000h。
[0057] 实施例5：
[0058] 一种聚变堆用低活化马氏体钢，其主要成分为Cr 8.8％，W 1.5％，V 0.20％，Ta 0.18％，Mn 0.5％，C 1.0％，其余为Fe元素。按此成分配比，在真空感应炉内对炉料进行熔炼:(1)真空度0.1-10Pa充氩气至0.005-0.08MPa，熔化温度1450～1650℃；(2)合金加料顺序，首先熔化纯Fe，然后加入Cr、W，接着加入Ta、V，最后添加C、Mn，同时视纯铁中氧含量水平，在加Cr之前添加少量C进行脱氧处理；(3)在线检测合金元素成分并依据测试结果增补合金元素；(4)成分合格后在真空下浇注，浇注温度1450～1550℃。获得的6吨以上直径为
800mm的铸锭。
800mm的铸锭。
[0059] (1)坯料锻造工艺：
[0060] 1)加热：对铸锭进行1180-1280℃保温40h扩散退火，入炉时炉温不超过600℃，施行阶梯式升温，升温速率不超过50℃/h，扩散退火结束后炉冷至1150±20℃并保温4.5h；
[0061] 2)锻造，开锻温度：≥1050℃；终锻温度：≥850℃，回炉再烧时间≥30min；
[0062] 3)退火：锻造完成后将坯料放入未加热的退火炉缓慢冷却至100℃以下，退火炉初始温度不超过200℃；
[0063] 4)回火：再将坯料进行加热760±10℃/15h回火处理，回火炉初始温度不超过100℃，升温速率不超过120℃/h，回火保温结束后随炉冷却至400℃以下出炉空冷，获得热轧板材的锻造坯料。
[0064] (2)板材热加工：
[0065] 1)热轧：将坯料在1050-1160℃保温100min后进行轧制，终轧温度≥900℃，变形量≥400％；
[0066] 2)热处理：轧制板材空冷后不做淬火处理，直接进行740±20℃/130min回火处理，回火炉初始温度不超过100℃，升温速率不超过120℃/h，回火后直接出炉空冷即可获得成品板材。
[0067] (3)对所得钢板进行性能测试，得到钢板不同位置的室温屈服强度Rp0.2均大于540MPa，，延伸率A均超过22％，横向冲击功和纵向冲击功Akv均高于235J；在550℃，190MPa应力条件下的持久时间均超过2000h。