一种基于多因素耦合的低活化结构材料及其设计方法

摘要

本发明涉及一种基于多因素耦合的低活化结构材料及其设计方法，属于金属材料技术领域。本发明所述的结构材料兼具低活化、抗辐照、耐高温及抗腐蚀性能，满足聚变堆或其他快中子堆在苛刻的复杂服役环境中的要求。本发明所述的设计方法中，采用核设计优化与辐射安全评价软件系统SuperMC计算的方法筛选出低活化元素及其含量的控制范围，得到的结果准确可靠，减少实验成本和时间；该方法可根据具体服役环境对低活化结构材料性能的要求不同，设计出不同成分的材料，避免了“炒菜式”的材料设计方法所带来的成本上的浪费，节约时间和成本，自由灵活。

权利要求

1.一种基于多因素耦合的低活化结构材料，其特征在于：以所述低活化结构材料的总质量为100％计，所述低活化结构材料的各组成成分及其质量分数如下：Cr 2～20％，W 0.1～4％，V 0.05～1％，Ta 0.05～1％，Mn≤1.00％，C≤0.2％，N≤0.08％，Si≤0.2％，Al≤

0.1％，Ni≤0.05％，Nb≤0.01％，Co≤0.05％，Cu≤0.05％，Mo≤0.05％，P≤0.05％，S≤

0.05％，O≤0.05％，其余为Fe；

Cr含量为2～7％时，所述低活化结构材料设计为贝氏体组织；Cr含量为7～20％时，所述低活化结构材料设计为马氏体组织；

所述低活化结构材料是采用如下设计方法获得的：

步骤1.低活化设计

根据低活化结构材料在反应堆内的具体位置，利用中子输运理论计算法选出低活化元素的种类C、Cr、W、V、Mn、Ta、Si和N，以及各低活化元素含量的上限值，使结构材料辐照后的活化程度满足需求；

步骤2.抗腐蚀设计

基于抗液态Pb基合金溶解腐蚀的原理，优化在Pb基合金中的溶解严重的Cr、V的含量；

步骤3.抗辐照设计

根据低活化结构材料所受的辐照条件，通过模拟计算以及核材料辐照数据库统计分析，优化Cr、Si的含量，满足服役条件下抗辐照性能的要求；

步骤4.耐高温设计

通过核材料高温性能数据库统计分析钢铁材料高温服役性能下降的主要原因，优化Cr、W、V、Ta、C的含量，满足低活化结构材料在高温服役条件下的要求；

步骤5.根据具体的服役环境，确定辐照后产生长寿命放射性核素的元素N、Al、Ni、Nb、Co、Cu、Mo以及杂质元素P、S、O的上限值，综合分析步骤1～4，获得基于多因素耦合的具有低活化、耐腐蚀、抗辐照、耐高温性能的低活化结构材料。

2.一种如权利要求1所述的基于多因素耦合的低活化结构材料的设计方法，其特征在于：所述设计方法包括如下步骤：步骤1.低活化设计

根据低活化结构材料在反应堆内的具体位置，利用中子输运理论计算法选出低活化元素的种类C、Cr、W、V、Mn、Ta、Si和N，以及各低活化元素含量的上限值，使结构材料辐照后的活化程度满足需求；

步骤2.抗腐蚀设计

基于抗液态Pb基合金溶解腐蚀的原理，优化在Pb基合金中的溶解严重的Cr、V的含量；

步骤3.抗辐照设计

根据低活化结构材料所受的辐照条件，通过模拟计算以及核材料辐照数据库统计分析，优化Cr、Si的含量，满足服役条件下抗辐照性能的要求；

步骤4.耐高温设计

通过核材料高温性能数据库统计分析钢铁材料高温服役性能下降的主要原因，优化Cr、W、V、Ta、C的含量，满足低活化结构材料在高温服役条件下的要求；

步骤5.根据具体的服役环境，确定辐照后产生长寿命放射性核素的元素N、Al、Ni、Nb、Co、Cu、Mo以及杂质元素P、S、O的上限值，综合分析步骤1～4，获得基于多因素耦合的具有低活化、耐腐蚀、抗辐照、耐高温性能的低活化结构材料。

3.根据权利要求2所述的一种基于多因素耦合的低活化结构材料的设计方法，其特征在于：步骤1中，确定低活化元素种类及其含量的具体步骤如下，确定低活化结构材料在反应堆内的具体位置后，根据中子输运理论计算获得该低活化结构材料受到辐照时的中子能谱、中子辐照通量和辐照剂量信息；然后，对中子截面、嬗变反应和中子活化进行数据库集成；最后，通过核设计优化与辐射安全评价软件系统SuperMC计算的方法筛选出组成低活化结构材料的低活化元素种类及各低活化元素的含量。

说明书

一种基于多因素耦合的低活化结构材料及其设计方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种低活化结构材料，特别涉及一种基于多因素耦合的低活化结构材料及其设计方法，属于金属材料技术领域。

背景技术

[0002] 结构材料是铅基快中子堆和聚变堆走向工程应用的关键因素之一，但铅基快中子堆和聚变堆的运行环境复杂且恶劣，对结构材料提出了非常苛刻的性能要求：首先，要求材料在强中子辐照下具有较好的高温强度、抗辐照性能和高的热负载能力；其次，要求材料具有低活化特性，中子辐照后不易活化，残余放射性低，便于处置和再循环利用，以满足未来“清洁”核能的目标；此外，还要求材料与冷却剂、氚增殖剂以及中子倍增剂等具有很好的化学相容性。国际上普遍认为：先进核能系统的结构材料应具有抗辐照、耐高温、低活化和抗腐蚀的优良特性，如低活化铁素体/马氏体(RAFM)钢、钒合金及SiCf/SiC复合材料。由于RAFM钢具有最为成熟的工业基础，因此被普遍认为是铅基快中子堆和聚变堆的首选结构材料。

[0003] 1980年前后，美国、日本和欧洲启动了RAFM钢的研究，主要集中在美国的9Cr-2WVTa、日本的F82H和JLF-1以及欧洲的EUROFER。为了打破国外技术壁垒，研发具有中国自主知识产权的RAFM钢迫在眉睫。2001年起，在国家磁约束核聚变能发展研究专项、中国科学院战略先导专项、中国科学院知识创新工程和国家自然基金等项目的持续支持下，中国科学院核能安全技术研究所FDS团队与国内外多家单位合作，主持研发了中国低活化抗辐照结构钢CLAM(China Low Activation Martensitic)。

[0004] 低活化结构材料的成分设计要以低活化、抗辐照、耐高温和抗腐蚀为目标。目前关于低活化结构材料(尤其是低活化铁素体/马氏体钢)的专利或是文献有很多，不同的低活化铁素体/马氏体钢的成分存在一定的差异性，没有统一的成分设计标准。已有的低活化铁素体/马氏体钢的成分设计大多以低活化为前提，通过成分优化或加工工艺改进材料的某单一性能，如抗高温氧化、耐液态金属腐蚀、提高高温机械性能等，而没有综合考虑材料的低活化、抗辐照、耐高温和抗腐蚀等特性。聚变堆或是铅基快中子堆的结构材料服役环境极为苛刻和复杂，单一性能的改进或提高，无法真正满足服役要求。此外，已有的低活化铁素体/马氏体钢的成分设计多为“炒菜式”设计方法，通过无数次的尝试以获得所需材料，这样极大的增加了成本，消耗了大量时间。

发明内容

[0005] 针对现有低活化铁素体/马氏体钢的成分设计缺陷，本发明的目的之一在于提供一种基于多因素耦合的低活化结构材料，所述结构材料兼具低活化、抗辐照、耐高温以及抗腐蚀性能，满足聚变堆或其它快中子堆在苛刻和复杂服役环境中的要求；目的之二在于提供一种基于多因素耦合的低活化结构材料的设计方法，所述设计方法充分考虑聚变堆或其它快中子堆结构材料对低活化、耐腐蚀、抗辐照、耐高温等性能的要求，充分发挥各合金元素在中的作用，而且缩短材料的成分设计周期，降低时间成本。

[0006] 本发明的目是通过以下技术方案实现的。

[0007] 一种基于多因素耦合的低活化结构材料，以所述低活化结构材料的总质量为100％计，所述低活化结构材料的各组成成分及其质量分数如下：Cr 2～20％，W 0.1～4％，V 0.05～1％，Ta 0.05～1％，Mn≤1.00％，C≤0.2％，N≤0.08％，Si≤0.2％，Al≤0.1％，Ni≤0.05％，Nb≤0.01％，Co≤0.05％，Cu≤0.05％，Mo≤0.05％，P≤0.05％，S≤0.05％，O≤
0.05％，其余为Fe。

[0008] 其中，Cr含量为2～7％时，所述低活化结构材料设计为贝氏体组织；Cr含量为7～20％时，所述低活化结构材料设计为马氏体组织。

[0009] 一种本发明所述的基于多因素耦合的低活化结构材料的设计方法，所述设计方法包括如下步骤：

[0010] 步骤1.低活化设计

[0011] 首先根据低活化结构材料在反应堆内的具体位置，然后利用中子输运理论计算，先以现有结构钢材料中的元素为基础，分析现有结构钢材料中各元素的活化特性，选出8种低活化元素及各低活化元素含量的控制范围：C和Cr为任意含量，W≤4％，V≤8％，Mn≤1％，Ta≤1％，Si<0.4％，N<0.1％，在上述范围内所得到的结构材料辐照后的活化程度在可接受的范围内，能够达到低活化的目的。

[0012] 步骤2.抗腐蚀设计

[0013] 反应堆中的低活化结构材料主要受液态Pb基合金的腐蚀，其腐蚀机理为溶解腐蚀，与低活化元素在液态Pb基合金中的溶解度有关。因此，从抗液态Pb基合金腐蚀的角度考虑，优化在Pb基合金中的溶解严重的Cr、V的含量；Cr≤50％，V≤1％时，就能满足抗腐蚀性能要求。

[0014] 步骤3.抗辐照设计

[0015] 低活化结构材料的抗辐照设计主要是从辐照后的肿胀、硬化、脆化以及组织稳定性方面来考虑。因此，根据处于反应堆内不同位置的低活化结构材料所受的辐照条件不同，通过模拟计算以及核材料辐照数据库统计分析，优化影响辐照性能的元素Cr、Si的含量；Cr≤20％，Si≤0.2％时，能够保证所制备的低活化结构材料具有良好的抗辐照性能。

[0016] 步骤4.耐高温设计

[0017] 通过核材料高温性能数据库统计分析钢铁材料高温服役性能下降的主要原因，获得不同成分组成的耐热材料的最终相组成以及不同组织结构的高温稳定性，得到不同成分和相组成材料的最高使用温度，进而优化Cr、W、V、Ta、C的含量；Cr≥2％，W≥0.1％，V≥0.05％，Ta≥0.05％，C≤0.2％时，能够满足低活化结构材料在高温服役条件下的要求；另外，由于C含量过高时会析出大尺寸碳化物，导致材料高温强度降低，所以C≤0.2％。

[0018] 步骤5.根据具体的服役环境，确定辐照后产生长寿命放射性核素的元素N、Al、Ni、Nb、Co、Cu、Mo以及杂质元素P、S、O的上限值；N≤0.08％，Al≤0.1％，Ni≤0.05％，Nb≤0.01％，Co≤0.05％，Cu≤0.05％，Mo≤0.05％，P≤0.05％，S≤0.05％，O≤0.05％时，均能得到具有低活化、耐腐蚀、抗辐照、耐高温性能的低活化结构材料；结合步骤1～4的分析，得到基于多因素耦合的兼具多功能的低活化结构材料。

[0019] 步骤1中，确定组成低活化结构材料的低活化元素种类及各低活化元素含量的具体步骤如下：

[0020] 确定低活化结构材料在反应堆内的具体位置后，根据中子输运理论计算获得该低活化结构材料受到辐照时的中子能谱、中子辐照通量和辐照剂量信息；然后，对中子截面、嬗变反应和中子活化进行数据库集成；最后，通过核设计优化与辐射安全评价软件系统SuperMC计算的方法筛选出组成低活化结构材料的低活化元素种类及各低活化元素的含量。

[0021] 有益效果

[0022] (1)本发明所述的设计方法综合考虑聚变堆或其它快中子堆结构材料对低活化、耐腐蚀、抗辐照以及耐高温性能的要求，而不仅仅是提高或改善结构材料的某单一性能，满足聚变堆或其它快中子堆在苛刻和复杂服役环境中的要求；

[0023] (2)本发明所述的设计方法中，通过核设计优化与辐射安全评价软件系统SuperMC计算的方法筛选出低活化元素及其含量的控制范围，得到的结果准确可靠，减少实验成本和时间；

[0024] (3)本发明所述的设计方法是以低活化为前提，可根据具体服役环境对低活化结构材料性能的要求不同，设计出不同成分的材料，避免了“炒菜式”的材料设计方法所带来的成本上的浪费，节约时间和成本，自由灵活。

具体实施方式

[0025] 下面结合具体实施方式对本发明做进一步说明。其中，所述方法如无特别说明均为常规方法，所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径而得。

[0026] 实施例1

[0027] 对于聚变堆包层材料而言，其服役环境极为苛刻，需承受高温、中子辐照、强电磁辐射、腐蚀等。因此对聚变堆包层材料的低活化性、耐蚀性、抗辐照性、耐高温性要求都很高，满足聚变堆包层材料性能要求的低活化结构材料的设计步骤如下：

[0028] (1)低活化设计

[0029] 首先，根据低活化结构材料在反应堆内的具体位置，利用中子输运理论计算获得该低活化结构材料受到辐照时的中子能谱、中子辐照通量以及辐照剂量的信息；

[0030] 其次，对中子截面、嬗变反应和中子活化进行数据库集成；

[0031] 最后，通过核设计优化与辐射安全评价软件系统SuperMC计算的方法筛选出8种低活化元素及各低活化元素含量的控制范围：C和Cr为任意含量，W<2％，V≤8％，Mn≤1％，Ta≤1％，Si<0.4％，N<0.1％，根据上述含量范围所得的结构材料在辐照后的活化程度都是可以接受的；

[0032] (2)抗腐蚀设计

[0033] 反应堆中的低活化结构材料主要受液态Pb基合金的腐蚀，其腐蚀机理为溶解腐蚀，与低活化元素在液态Pb基合金中的溶解度有关。从上述8种低活化元素中看，C、Cr和V的含量相对较高，其发生溶解腐蚀后会对低活化结构材料的影响较大，因此着重分析这三种元素含量控制。从溶解度角度分析，C在液态Pb基合金中基本不会发生溶解，而Cr的溶解度比Fe的溶解度高，V的溶解度比Ta的高，因此可进一步确定Cr和V的控制范围：Cr含量不应超过50％，V的含量应小于0.5％。

[0034] (3)抗辐照设计

[0035] 低活化结构材料的抗辐照设计主要是从辐照后的肿胀、硬化、脆化以及组织稳定性方面来考虑。从计算模拟的角度看，铁素体的辐照肿胀远小于奥氏体钢，因此低活化结构材料的组织应为铁素体或马氏体组织，尽量避免奥氏体的形成。从低活化元素对奥氏体稳定性和铁素体稳定性的作用规律综合分析，进一步缩小低活化元素的含量范围。通过核材料辐照数据库统计分析发现，当Cr含量在9％左右时，铁素体/马氏体钢辐照后的DBTT(韧脆转变温度)最低；同时，对已有的9Cr系马氏体钢的裂变快中子辐照实验结果进行统计分析，发现Si的含量不超过0.2％时，其辐照性能较好，因此，进行成分设计时，Si的含量应控制在其范围的下限。此外，对实验模型合金通过离子辐照研究的TaC、TaN以及VN的辐照稳定性分析，发现辐照剂量在20dpa时，TaC和TaN具有较好的辐照稳定性，而VN则呈棒状生长，辐照稳定性相对较弱，但其数量密度较低，因此，低活化结构材料在设计时，尽可能减少VN的析出量，因此N的含量往下限控制。

[0036] (4)耐高温设计

[0037] 目前研究较多的低活化铁素体/马氏体钢的使用温度大约在550℃。低活化铁素体/马氏体钢强化主要是通过Cr、W、V、Ta等元素的过饱和固溶强化和第二相析出强化等来实现。低活化铁素体/马氏体钢的基体为板条马氏体，同时还有大量碳化物，这些碳化物主要为富Ta或V的MX型和富Cr的M23C6型。MX型碳化物主要分布在板条马氏体内和晶界上，而M23C6型碳化物主要位于原奥氏体晶界和板条马氏体的条界上，板条马氏体内部也有少量分布，这种组织特征使其具有较高的强度、韧性。在低活化铁素体/马氏体钢中添加W元素可以起到固溶强化作用，提高材料的高温性能。

[0038] 8-12％Cr-W系马氏体耐热钢高温服役性能下降的主要原因是由于M23C6型碳化物粗化，Z相的形成降低了MX型碳化物的数量密度和脆性Laves相的长大造成的析出强化效果降低，以及由于第二相(如Z相和Laves相)的形成消耗了基体中的合金元素从而导致基体软化。因此，对CLAM钢的耐高温设计思路为：(a)确保材料具有良好的淬透性，能够在淬火后获得全马氏体组织；(b)尽可能细化晶粒；(c)降低M23C6型碳化物的体积分数并控制其尺寸；(d)避免或减少Z相的析出：(e)提高MX型碳化物的体积分数与数量密度，并使其保持辐照稳定性。

[0039] 基于上述考虑，以聚变中子活化控制理论为指导，在确保淬透性的同时，在合金中，Ta和V的含量都控制在0.1～0.25％，以增加MX型碳化物的摩尔百分比，以保持MX型碳化物的总体辐照稳定性；在国外RAFM钢成分设计的基础上优化W的含量，W含量控制在1.3～1.7％，可有效抑制Laves相快速长大；为了避免析出大尺寸碳化物，导致材料高温强度降低，C≤0.2％。

[0040] (5)严格控制辐照后产生长寿命放射性核素N、Al、Ni、Nb、Co、Cu、Mo，以及严控控制杂质元素P、S、O的含量；综合上述分析得到，满足本实施例要求的低活化结构材料的最优的组组成成分及其各成分质量百分数如下：Cr9.0％，W 1.5％，V 0.21％，Ta 0.12％，Mn 0.48％，C 0.09％，Si≤0.005％，N≤0.005％，Ni≤0.005％，Nb≤0.001％，Co≤0.005％，Cu≤0.005％，Mo≤0.005％，Al≤0.01％，P≤0.005％，S≤0.005％，O≤0.005％，其余为Fe。

[0041] 按照本实施例所设计的组分配比将原料进行混合，然后进行冶炼铸造成型，再在不低于1050℃的开锻温度下锻造，随后将坯料在1050～1160℃下保温80min后进行轧制，终轧温度≥900℃，变形量≥400％，并最终制成12mm厚的马氏体钢板。将所制备的马氏体钢板进行性能测试，测试结果如下：25℃(测试标准：GB/T228.1-2010)抗拉强度超过670MPa；550℃(测试标准：GB/T4338-2006)抗拉强度超过500MPa；650℃(测试标准：GB/T4338-2006)抗拉强度超过350MPa；25℃(测试标准：GB/T9639.1-2008)冲击吸收功超过221J；在600℃以及190MPa应力条件下的高温蠕变持久时间超过5000h(测试标准：GB/T2039-1997)。

[0042] 实施例2

[0043] 对于聚变堆其它结构材料，如聚变堆真空容器，结构环等，其服役环境相对没有聚变堆包层那么苛刻，因此对于抗辐照性和耐腐蚀性要求不高。此外，为了提高此类材料加工成型性能，将材料的组织设计为贝氏体。则此类低活化结构材料的设计步骤如下：

[0044] (1)低活化设计

[0045] 首先，根据低活化结构材料在反应堆内的具体位置，利用中子输运理论计算获得该低活化结构材料受到辐照时的中子能谱、中子辐照通量以及辐照剂量的信息；

[0046] 其次，对中子截面、嬗变反应和中子活化进行数据库集成；

[0047] 最后，通过核设计优化与辐射安全评价软件系统SuperMC计算的方法筛选出8种低活化元素及各低活化元素含量的控制范围；C和Cr为任意含量，W<4％，V≤8％，Mn≤1％，Ta≤1％，Si<0.4％，N<0.1％时，根据上述含量范围所得的结构材料在辐照后的活化程度都是可以接受的。

[0048] (2)抗腐蚀设计

[0049] 此类材料的抗腐蚀设计要求并不严格，所以通过抗腐蚀设计步骤对于各低活化元素含量的进一步限定的作用可以忽略。

[0050] (3)抗辐照设计

[0051] 低活化结构材料的抗辐照设计主要是从辐照后的肿胀、硬化、脆化以及组织稳定性方面来考虑。然而本实施例所设计材料的中子辐照剂量并不大，这一项设计适当减弱。

[0052] (4)耐高温设计

[0053] 耐热钢高温服役性能下降的主要原因是由于M23C6碳化物粗化，Z相的形成降低了MX型碳化物的数量密度和脆性Laves相的长大造成的析出强化效果降低，以及由于第二相的形成消耗了基体中的合金元素从而导致基体软化。因此，对CLAM钢的耐高温设计思路为：(a)确保材料易获得贝氏体组织；(b)尽可能细化晶粒；(c)降低M23C6碳化物的体积分数并控制其尺寸；(d)避免或减少Z相的析出；(e)提高MX型碳化物的体积分数与数量密度，并使其保持辐照稳定性。

[0054] 基于上述考虑，在合金中，Ta和V的含量都控制在0.1～0.25％，以增加MX型碳化物的摩尔百分比，以保持MX型碳化物的总体辐照稳定性。为了降低富Cr的M23C6型碳化物的体积分数，同时降低淬透性，使材料易获得贝氏体组织，将Cr含量控制4％以下。在国外RAFM钢成分设计的基础上优化W的含量，W含量控制在2.2～2.8％，可有有效保证材料在具有较高强度和较低DBTT的同时减少脆性相Laves相的析出。为了避免析出大尺寸碳化物，导致材料高温强度降低，C≤0.2％。

[0055] (5)严格控制辐照后产生长寿命放射性核素N、Al、Ni、Nb、Co、Cu、Mo，以及严控控制杂质元素P、S、O的含量；综合上述分析得到，满足本实施例要求的低活化结构材料的最优的组成成分及其各成分质量百分数如下：Cr3.2％，W 2.8％，V 0.22％，Ta 0.20％，Mn 0.53％，Si 0.31％，C 0.10％，N≤0.005％，Al≤0.01％，Ni≤0.005％，Nb≤0.001％，Co≤
0.005％，Cu≤0.005％，Mo≤0.005％，P≤0.01％，S≤0.005％，O≤0.005％，其余为Fe。

[0056] 按照本实施例所设计的组分配比将原料进行混合，然后进行冶炼铸造成型，再在不低于1050℃的开锻温度下锻造，随后将坯料在1050～1160℃下保温80min后进行轧制，终轧温度≥900℃，变形量≥200％，并最终制成15mm厚的贝氏体钢板。将所制备的贝氏体钢板进行性能测试，测试结果如下：在25℃下，根据测试标准GB/T228.1-2010分别测得屈服强度Rp0.2≥500MPa，抗拉强度Rm≥630MPa，延伸率A≥20％，断面收缩率Z≥70％；在25℃下，根据测试标准GB/T9639.1-2008测得冲击吸收功Akv≥300J；在550℃以及190MPa应力条件下的蠕变持久时间超过10000h(测试标准：GB/T 2039-1997)。

[0057] 综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。