CN104561830B

CN104561830B - 一种热膨胀系数可调的奥氏体‑马氏体双相复合钢及其制备方法

Info

Publication number: CN104561830B
Application number: CN201510002630.7A
Authority: CN
Inventors: 张建利; 罗天勇
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-01-05
Filing date: 2015-01-05
Publication date: 2017-06-13
Anticipated expiration: 2035-01-05
Also published as: CN104561830A

Abstract

本发明涉及一种热膨胀系数可调的奥氏体‑马氏体双相复合钢及其制备方法。两相复合钢中奥氏体相的多晶颗粒和马氏体相的多晶颗粒呈相间弥散分布，多晶颗粒的尺寸为50‑200微米，奥氏体相的多晶颗粒呈近球形。这种双相复合钢主要是将等离子辅助旋转电极法制备的奥氏体钢球形粉末和马氏体钢球形粉末按照不同比例混合，通过热等静压机工艺制得一种奥氏体相多晶颗粒与马氏体相多晶颗粒相间分布的复合材料。其热膨胀系数在奥氏体钢和马氏体钢之间，可用于奥氏体钢部件与马氏体钢部件的连接部，解决奥氏体钢与马氏体钢的热膨胀系数相差过多引起的热应力过高的问题，可用于某些对钢材料强度和塑性同时要求很高的场合。

Description

一种热膨胀系数可调的奥氏体-马氏体双相复合钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种热膨胀系数可调的奥氏体-马氏体双相复合钢极其制备方法，可用于奥氏体钢部件与马氏体钢部件的连接部，解决奥氏体钢与马氏体钢的热膨胀系数相差过多引起的热应力过高的问题，同时因其结合了马氏体钢的强度高和奥氏体钢的塑性好的优点，可用于某些强度和塑性要求高的场合。

背景技术

随着核能技术的发展，新型反应堆需要一种抗中子辐照能力强且高温力学性能好的结构材料，比如今后的商用快堆的中子辐照损伤在100个dpa(材料辐照损伤单位，每个原子平均离位次数)左右，商用聚变堆达到200个dpa，而为了提高能量转换效率，冷却介质工作温度一般在500度左右。一般来说，奥氏体不锈钢在如此高的中子辐照损伤下会发生严重的肿胀，无法满足反应堆结构材料要求。

而马氏体钢相比奥氏体钢具有高温下抗拉强度高、热导率高、抗中子辐照能力强的优点，普遍认为会成为新型反应堆的堆芯结构材料，但是它也存在一些问题，比如氚渗透率也要比奥氏体钢高一个数量级，以及韧性差、存在脆韧转变温度问题。因此在新型反应堆设计中，我们需要根据情况搭配使用马氏体钢和奥氏体钢，比如在中子辐照损伤严重、工况温度高的部位选择马氏体钢作为部件结构材料，在中子辐照损伤相对较小、工况温度相对较低、且对氚渗透敏感的部位选择奥氏体钢作为部件结构材料。比如在目前的国际热核聚变实验堆(ITER)的测试模块(TBM)系统中，该系统的氦冷系统HCS和氚提取系统TES的管道部件主要选用奥氏体不锈钢(AISI 316LN，或中国等效型号的材料)作为结构材料；而该系统的模块本体则选用一种低活化的铁素体/马氏体钢(RAFM)作为结构材料。然而这种设计不可避免地要涉及马氏体钢与奥氏体钢的连接问题。这两种钢的热膨胀系数差别较大，低活化马氏体钢的热膨胀系数在500度下为12.8×10^-6/℃左右，奥氏体钢则在18.3×10^-6/℃左右，直接连接会带来热应力过大的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种热膨胀系数可调的奥氏体-马氏体双相复合钢及其制备方法，实现一种热膨胀系数可调兼具奥氏体和马氏体各自优点的双相复合钢，可以作为奥氏体钢部件与马氏体钢部件的连接部，解决奥氏体钢与马氏体钢的热膨胀系数相差过多引起的热应力过高的问题。

一种热膨胀系数可调控的奥氏体-马氏体两相复合钢，两相复合钢中奥氏体相的多晶颗粒和马氏体相的多晶颗粒呈相间弥散分布，多晶颗粒的尺寸为50-200微米，奥氏体相的多晶颗粒呈近球形。

该两相复合钢中奥氏体相与马氏体相的比例从1％：99％到99％：1％之间可调；且其中奥氏体相多晶颗粒主要由Fe、Cr、Ni三种元素以及少量的Mo和Mn元素组成；马氏体钢多晶颗粒主要由Fe、Cr两种元素组成，并添加了少量的V、Mn、W、Ta元素。

奥氏体相具体成分的质量百分比为：Fe占60％以上，Cr在16－18％之间，Ni在9－13％之间，Mo在1-3％之间，Mn在1.2-2％之间，各组分合计100％；马氏体相具体成分质量百分比为：Fe占85％以上，Cr在7－13％之间，V在0.1－0.3％之间，W在1.0－2.0％之间，Mn在0.1－0.6％之间，Ta在0.01－0.2％之间，各组分合计100％。

所述两相复合钢的制备方法，其采用粉末冶金的方法制备，该方法包括以下步骤：

(1)采用等离子辅助旋转电极法制备粒径在50－200微米的奥氏体钢粉末；

(2)采用等离子辅助旋转电极法制备粒径在50－200微米的马氏体钢粉末；

(3)将奥氏体钢粉末和马氏体钢粉末根据最终热膨胀系数要求，按比例混合均匀，其中奥氏体钢粉末与马氏体钢粉末按质量百分比在1:99——99:1之间；

(4)制造包套，室温下真空焊接装料，水冷焊接，升温至600℃以上真空脱气，冷却到室温，封焊；

(5)进行热等静压处理，温度控制在1000-1300℃之间，压力控制在100-180MPa之间，维持2小时以上，快速冷却。

本发明就是采用粉末冶金技术开发了一种热膨胀系数可调的奥氏体-马氏体双相复合钢，既可以作为奥氏体钢部件与马氏体钢部件的连接部，解决奥氏体钢与马氏体钢的热膨胀系数相差过多引起的热应力过高的问题，同时因其结合了马氏体钢的强度高和奥氏体钢的塑性好的优点，也可用于某些对强度和塑性同时要求都很高的特殊场合。

其主要工作原理如下：

材料的热膨胀，从微观角度，是由构成材料的晶粒内部的晶格常数(也就是晶胞的边长，简单理解为晶粒内原子与原子之间的距离)随温度变化的宏观反应。因此，材料的热膨胀系数是构成材料的所有晶粒的热膨胀系数的平均化效果。对于弥散复合材料，其宏观热膨胀系数则是具有不同相结构的晶粒的热膨胀系数根据不同相所占的体积份额的加权平均。

该发明就是利用了这一原理，实现了奥氏体相的多晶颗粒与马氏体相的多晶颗粒的弥散复合，通过调整奥氏体相多晶颗粒与马氏体相多晶颗粒的比例，从而得到热膨胀系数在奥氏体钢和马氏体钢之间可调的双相复合钢。

另外奥氏体钢多晶颗粒或者马氏体钢多晶颗粒各自串连在一起，彼此形成网状结构，也起到了纤维增韧的效果。

本发明的有益效果为：(1)可以通过调控奥氏体相合马氏体相的多晶颗粒比例而得到热膨胀系数在奥氏体钢和马氏体钢之间可调的双相复合钢，解决奥氏体钢与马氏体钢连接热膨胀系数差较大的问题；(2)双相复合钢结合了奥氏体钢的塑性好和马氏体钢的强度高的优点，特别是奥氏体相形成的网状内部结构，使得其比单纯马氏体钢强度更高，韧性更好。

附图说明

图1为奥氏体(50％)与马氏体(50％)的双相复合钢的低倍下的显微组织图。

图2为奥氏体(50％)与马氏体(50％)的双相复合钢的中倍下的显微组织图。

图3为奥氏体(50％)与马氏体(50％)的双相复合钢的高倍下的显微组织图。

其中1为奥氏体相多晶颗粒，2为马氏体相多晶颗粒。

具体实施方式

一种热膨胀系数可调控的奥氏体-马氏体两相复合钢以及该两相复合钢的制备方法，该两相复合钢具有以下特征：

(一)该两相复合钢中奥氏体相1的多晶颗粒和马氏体相2的多晶颗粒呈相间弥散分布，多晶颗粒的尺寸为50-200微米，奥氏体相的多晶颗粒呈近球形。

(二)该两相复合钢中奥氏体相与马氏体相的比例从1％：99％到99％：1％之间可调。

(三)该两相复合钢中的奥氏体相多晶颗粒主要由Fe、Cr、Ni三种元素以及少量的Mo和Mn元素组成。具体成分比例为(以下均为质量百分比)：Fe占60％以上，Cr在16－18％之间，Ni在9－13％之间，Mo在1-3％之间，Mn在1.2-2％之间；

(四)该两相复合钢中的马氏体钢多晶颗粒主要由Fe、Cr两种元素组成，并添加了少量的V、Mn、W、Ta等元素，具体成分比例为(以下均为质量百分比)：Fe占85％以上，Cr在7－13％之间，V在0.1－0.3％之间，W在1.0－2.0％之间，Mn在0.1－0.6％之间，Ta在0.01－0.2％之间；

该双相复合钢采用粉末冶金的方法制备，具体的方法包括以下步骤：

(3)将奥氏体钢粉末和马氏体钢粉末根据最终热膨胀系数要求，按比例混合均匀，其中奥氏体钢粉末与马氏体钢粉末的混合比例(按质量百分比)在1:99——99:1之间；

(4)制造包套，室温下真空焊接装料(真空度高于1.0×10^-1Pa)，水冷焊接，升温至600℃以上真空脱气(真空度高于1.3×10^-1Pa)，冷却到室温，封焊；

以下是一个具体的复合相钢制备过程：

一种316L和低活化马氏体钢各占50％的奥氏体-马氏体双相复合钢，其制备方法如下：

(1)316L粉末的制备：(也可选用316L或316LN的现成锻棒)，采用FED-1(宝鸡海宝特种金属材料有限公司的等离子旋转电极设备)利用旋转电极工艺制成316L钢球形粉；球形粉指标为粒径在100－200微米之间，球形度达到99％以上，316L球形粉中由Fe、Cr、Ni三种元素以及少量的Mo和Mn元素组成。具体成分比例为(以下均为质量百分比)：Fe占60％以上，Cr在17.2-17.7％之间，Ni在9.5－10％之间，Mo在1.2-1.5％之间，Mn在1.4-1.6％之间；

(2)低活化马氏体钢粉末的制备：采用真空感应熔炼浇注并锻成直径60mm长400mm的RAFM棒材(也可选用国内的CLAM，CLF-1，国外的Eurofer和F82H的现成锻棒)，采用FED-1(宝鸡海宝特种金属材料有限公司的等离子旋转电极设备)利用旋转电极工艺制成低活性马氏体钢球形粉；球形粉指标为粒径在100－200微米之间，球形度达到99％以上，低活性马氏体钢球形粉中Cr的含量为8.5±0.3％，W的含量为1.5±0.1％，V的含量为0.25％之间，Mn的含量为0.5±0.2％，Ta的含量为0.25±0.02％；

(3)奥氏体钢粉末和马氏体钢粉末，按照各50％的比例(质量百分比)混合均匀；

(4)制造包套，室温下真空焊接装料(真空度高于1.0×10^-1Pa)，水冷焊接，升温至670℃进行真空脱气(真空度高于1.3×10^-1Pa)，冷却到室温，封焊；

(5)进行热等静压处理，温度控制在1150℃之间，压力控制在130MPa，维持3小时以上，快速冷却。

该双相复合钢的热膨胀系数介于316L与低活化马氏体钢之间，室温下抗拉强度达到880MPa，伸长率达到29.91％，通常低活化马氏体钢的锻件室温下抗拉强度只有700MPa，伸长率在20％左右；而316L室温下抗拉强度在500MPa左右，伸长率在45％；由此可见这种奥氏体(50％)与马氏体(50％)的双相复合钢不仅很好地实现了316L与低活化马氏体钢的热膨胀系数的过渡，而且就其力学性能而言在低活化马氏体钢的基础上提高了强度和韧性。

从显微组织结构观察，该双相复合钢的奥氏体相多晶颗粒和马氏体相多晶颗粒的分界明显。

Claims

1.一种热膨胀系数可调控的奥氏体-马氏体两相复合钢，其特征是：两相复合钢中奥氏体相(1)的多晶颗粒和马氏体相(2)的多晶颗粒呈相间弥散分布，多晶颗粒的尺寸为50-200微米，奥氏体相的多晶颗粒呈近球形，该两相复合钢中奥氏体相与马氏体相的比例从1％：99％到99％：1％之间可调；且其中奥氏体相多晶颗粒主要由Fe、Cr、Ni三种元素以及少量的Mo和Mn元素组成，Fe占60％以上，Cr在16-18％之间，Ni在9-13％之间，Mo在1-3％之间，Mn在1.2-2％之间，各组分合计100％；

马氏体钢多晶颗粒主要由Fe、Cr两种元素组成，并添加了少量的V、Mn、W、Ta元素,Fe占85％以上，Cr在7-13％之间，V在0.1-0.3％之间，W在1.0-2.0％之间，Mn在0.1-0.6％之间，Ta在0.01-0.2％之间，各组分合计100％。

2.权利要求1所述一种热膨胀系数可调控的奥氏体-马氏体两相复合钢的制备方法，其特征是采用粉末冶金的方法制备，该方法包括以下步骤：(1)采用等离子辅助旋转电极法制备粒径在50-200微米的奥氏体钢粉末；(2)采用等离子辅助旋转电极法制备粒径在50-200微米的马氏体钢粉末；(3)将奥氏体钢粉末和马氏体钢粉末根据最终热膨胀系数要求，按比例混合均匀，其中奥氏体钢粉末与马氏体钢粉末按质量百分比在1:99-99:1之间；(4)制造包套，室温下真空焊接装料，水冷焊接，升温至600℃以上真空脱气，冷却到室温，封焊；(5)进行热等静压处理，温度控制在1000-1300℃之间，压力控制在100-180MPa之间，维持2小时以上，快速冷却。