阅读说明：本技术 耐液态铅铋腐蚀的高强度Fe-Cr-Zr-W-Mo-B铁素体合金及其制备方法 (High-strength Fe-Cr-Zr-W-Mo-B ferrite alloy resistant to liquid lead and bismuth corrosion and preparation method thereof ) 是由 陈胜虎 戎利建 姜海昌 闫德胜 赵明久 王本贤 胡小峰 宋元元 张杨鹏 于 2020-05-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种耐液态铅铋腐蚀的高强度Fe-Cr-Zr-W-Mo-B铁素体耐热合金及其制备方法,属于耐热合金材料技术领域。合金化学成分为：C≤0.01％；Cr：8.0～12.0％；Mo：0～2.0％；W：0～2.0％；Zr：5.0～10.0％；B：10～50ppm；Fe余量。本发明在Fe-(9～12wt.％)Cr的基础上,添加Zr使得基体中析出Fe-Zr金属间相,其弥散强化作用提高材料的高温强度；B的添加可将铁素体基体的晶粒尺寸细化至1微米以下,细小的晶粒尺寸提高了合金的耐液态铅铋腐蚀性能。本发明的Fe-Cr-Zr-W-Mo-B铁素体合金满足了对耐高温、耐铅铋腐蚀、抗辐照的性能要求。(The invention discloses a high-strength Fe-Cr-Zr-W-Mo-B ferrite heat-resistant alloy resistant to liquid lead and bismuth corrosion and a preparation method thereof, belonging to the technical field of heat-resistant alloy materials. The alloy comprises the following chemical components: c is less than or equal to 0.01 percent; cr: 8.0-12.0%; mo: 0 to 2.0 percent; w: 0 to 2.0 percent; zr: 5.0-10.0%; b: 10 to 50 ppm; the balance of Fe. According to the invention, on the basis of Fe- (9-12 wt.%) Cr, Zr is added to precipitate Fe-Zr intermetallic phase in the matrix, and the dispersion strengthening effect of the Zr improves the high-temperature strength of the material; the addition of B can refine the grain size of the ferrite matrix to be less than 1 micron, and the fine grain size improves the liquid lead bismuth corrosion resistance of the alloy. The Fe-Cr-Zr-W-Mo-B ferrite alloy meets the performance requirements on high temperature resistance, lead-bismuth corrosion resistance and irradiation resistance.)

耐液态铅铋腐蚀的高强度Fe-Cr-Zr-W-Mo-B铁素体合金及其 制备方法

技术领域：

本发明涉及耐热合金材料技术领域，具体涉及一种耐液态铅铋腐蚀的高强度Fe-Cr-Zr-W-Mo-B铁素体合金及其制备方法。

背景技术：

核电作为低碳能源，是未来能源可持续发展的重要基础。随着我国核电规模化发展，乏燃料产生量也日益增加。为保证核电的安全可持续发展，国际上核技术发达国家均在积极发展先进核能系统，包括四代快堆及其闭式燃料循环技术、以及更为先进的ADS(加速器驱动次临界系统)燃料循环技术，来提高乏燃料中铀资源的利用率和减少长寿命放射性废物。铅铋共晶(LBE)合金具有优异的中子学性能、化学惰性、热物理性能、抗辐照性能等优点，被视为四代铅冷快堆冷却剂、ADS系统散裂靶及冷却剂的首选材料。

相比于奥氏体不锈钢，铁素体/马氏体耐热钢，如T91、9Cr2WVTa、F82H、CLAM、Eurofer97、EP823等，由于具有热膨胀系数小、导热率高、辐照肿胀率小等特点，被视为四代核能系统和ADS系统的主要候选结构材料。材料不仅起保障核能系统正常工作的作用，其可承受的使用温度还直接决定了核能系统的效率。铁素体/马氏体耐热钢的主要合金成分是Fe—(9～12wt.％)Cr，其良好的高温强度主要依赖于淬火+回火处理后形成的界面(包括原始奥氏体晶界、马氏体板条界以及板条内亚晶界)、以及界面处析出的M₂₃C₆碳化物。然而，高温长时作用下界面处的M₂₃C₆碳化物会发生Ostwald粗化，导致材料强度的显著下降，使得材料的使用温度不超过550℃。因此，如何提高铁素体/马氏体耐热钢的高温强度是亟待解决的问题。氧化物弥散强化(ODS)技术引入铁素体/马氏体钢制备过程可显著提高材料的高温强度，弥散分布的氧化物颗粒起到弥散强化作用，与此同时，氧化物颗粒可钉轧位错与晶界而保证组织的稳定性。尽管ODS钢展现出诱人的应用前景，目前ODS钢的制备技术有待进一步完善。

发明内容

：

为解决铁素体/马氏体钢在550℃以上使用高温强度下降的问题，本发明的目的是在Fe-(9～12wt.％)Cr的基础上，发展一种Fe-Zr型金属间化合物强化的Fe-Cr-Zr-W-Mo-B合金，在保证耐液态铅铋腐蚀性能的同时，提高合金的高温强度。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种耐液态铅铋腐蚀的高强度Fe-Cr-Zr-W-Mo-B铁素体合金，按重量百分比计，该合金的化学成分如下：

C≤0.01％；Cr：8.0～12.0％；Mo：0～2.0％；W：0～2.0％；Zr：5.0～10.0％；B：10～50ppm；Fe为余量。

按重量百分比计，该合金优选的化学成分如下：

C：0.001～0.008％；Cr：9.0～10.5％；Mo：0.2～1.8％；W：0.3～1.8％；Zr：7.5～10.0％；B：20～50ppm；Fe为余量。

该合金化学成分中，Mo+W＝1.0～3.0wt.％。

所述Fe-Cr-Zr-W-Mo-B铁素体合金的微观组织由Fe₂Zr相和α-Fe相组成，Fe₂Zr相弥散分布于铁素体基体(α-Fe相)中；Fe₂Zr相为微米级，铁素体基体的晶粒尺寸小于1微米。

所述Fe-Cr-Zr-W-Mo-B铁素体合金在700℃服役条件下的屈服强度大于210MPa，抗拉强度大于250MPa，延伸率大于40.0％。

所述Fe-Cr-Zr-W-Mo-B铁素体合金的制备方法为：首先按照合金成分配比称取原材料，将原材料在真空感应炉中熔炼，并浇铸成铸锭；铸锭进行锻造和轧制，将轧制后的板材进行热处理后，即得到所述高强度Fe-Cr-Zr-W-Mo-B铁素体合金；所述热处理制度如下：

(1)在1050～1150℃进行固溶处理，保温5～30min，空冷至室温；

(2)在700～780℃进行时效处理，保温1～3h，空冷至室温。

所述铸锭锻造过程为：将铸锭加热至1150℃，保温1h后，在锤锻机上锻造成板坯，然后空冷至室温，终锻温度在900℃以上。

所述铸锭锻造后的轧制过程为：将锻造后所得板材加热至1150℃，保温1h后，在二辊热轧机上轧制成板材，然后空冷至室温，终轧温度在900℃以上。

本发明的设计机理如下：

本发明利用弥散的金属间相来提高强度，同时细化铁素体晶粒尺寸来改善耐腐蚀性能。基于此设计思想，在Fe-(9～12wt.％)Cr的基础上设计出本发明Fe-Cr-Zr-W-Mo-B铁素体合金：(1)降低C含量来避免热稳定性差的M₂₃C₆碳化物的形成；(2)通过添加Zr使得基体中析出弥散分布的Fe-Zr金属间相；(3)添加W和Mo提高基体的高温强度，改善基体与Fe-Zr金属间相的强度匹配；(4)添加B来细化基体的晶粒尺寸，改善合金的耐腐蚀性能，从而获得耐液态铅铋腐蚀的高强度Fe-Cr-Zr-W-Mo-B铁素体合金。

本发明的优点及有益效果在于：

1、本发明在Fe-(9～12wt.％)Cr的基础上，发展一种Fe-Zr金属间相弥散强化的Fe-Cr-Zr-W-Mo-B铁素体合金，一方面，降低C含量(C含量控制在≤0.01％)来避免热稳定性差的M₂₃C₆碳化物的析出；另一方面通过添加适量Zr(Zr含量控制在5.0～10.0％)使得基体中析出Fe-Zr金属间相，以保证弥散强化作用。Fe-Zr金属间相具有良好的热稳定性，其弥散强化作用有利于材料高温性能的提升。

2、本发明设计的耐液态铅铋腐蚀的高强度Fe-Cr-Zr-W-Mo-B铁素体合金，B的适量添加(10～50ppm)可将铁素体基体的晶粒尺寸细化至1微米以下，在达到细化晶粒尺寸目的的同时，避免过多的B形成硼化物；同时借助Fe-Zr金属间相对晶界的钉轧作用，保证了晶粒尺寸的稳定性。细小的晶粒尺寸提高了材料的耐液态铅铋腐蚀性能。

3、本发明设计的耐液态铅铋腐蚀的高强度Fe-Cr-Zr-W-Mo-B铁素体合金，Mo和W的添加以提高基体的高温强度，为保证Mo、W的固溶强化效果，同时避免添加过多的Mo、W形成有害Laves相，Mo、W的质量分数之和优选1.0～3.0％。

4、本发明设计的耐液态铅铋腐蚀的高强度Fe-Cr-Zr-W-Mo-B铁素体合金，其高温抗拉强度显著优于现有的9Cr铁素体/马氏体钢，与(9～12Cr)-ODS钢性能相当；与此同时，合金具有良好的耐液态铅铋腐蚀性能，与现有的9Cr铁素体/马氏体钢和(9～12Cr)-ODS钢相当。

5、本发明合金的制备方法简单，容易操作。采用工艺设备均为常规设备，成本较低，具有良好的可推广性。

附图说明：

图1为实施例制备Fe-Cr-Zr-W-Mo-B铁素体合金的组织照片(扫描电镜观察5000倍)。

图2为实施例制备Fe-Cr-Zr-W-Mo-B铁素体合金中铁素体基体的组织照片(透射电镜观察)。

图3为Fe-Cr-Zr-W-Mo-B铁素体合金在550℃饱和氧浓度液态铅铋中腐蚀500h后的截面形貌照片(扫描电镜观察5000倍)。

具体实施方式

：

下面通过实施例对本发明所述一种耐液态铅铋腐蚀的高强度Fe-Cr-Zr-W-Mo-B铁素体合金予以进一步的说明。

实施例1：

本实施例提供耐液态铅铋腐蚀的高强度Fe-Cr-Zr-W-Mo-B铁素体合金，合金化学成分为(wt.％)：C:0.004％，Cr:9.6％，W:1.8％，Mo:1.0％，Zr:9.4％，B:40ppm，余量为Fe。

合金具体的生产工艺步骤如下：

1)熔炼：按照合金成分配比称取原材料，将配制的原料装入真空感应熔炼炉的坩埚中，在真空感应炉中熔炼，并浇铸成铸锭，待铸锭完全凝固后，开模取出；

2)锻造：将铸锭加热至1150℃，保温1h，迅速放置在锤锻机上锻造成板坯，然后空冷至室温，终锻温度在900℃以上。

3)轧制：将锻造后的板材加热至1150℃，保温1h，在二辊热轧机进行轧制成板材，然后空冷至室温，终轧温度在900℃以上。

4)热处理：将轧制后的板材在1100℃保温15min，取出空冷至室温；然后在760℃进行时效处理，保温1h，空冷至室温。

所得合金的组织由Fe₂Zr相和α-Fe相组成，组织的SEM照片见图1，可见，Fe₂Zr相为微米尺寸，且弥散分布在铁素体基体(α-Fe相)中。铁素体基体的TEM照片见图2，由图可见，晶粒尺寸小于1微米。

经拉伸性能测试，Fe-Cr-Zr-W-Mo-B铁素体合金在700℃时的屈服强度为355MPa，抗拉强度为506MPa，延伸率为14.0％，可见，Fe-Cr-Zr-W-Mo-B铁素体合金的高温拉伸强度显著优于9Cr铁素体/马氏体钢(9Cr2WVTa)，与12Cr-ODS钢(12YWT)的高温拉伸性能相当(见表1)。

Fe-Cr-Zr-W-Mo-B铁素体合金在550℃饱和氧浓度液态铅铋中腐蚀500h后的截面形貌见图3，可见，合金表面可生产～10μm厚的双层结构氧化膜。相同腐蚀条件，Fe-Cr-Zr-W-Mo-B铁素体合金表面生成的氧化膜厚度与9Cr铁素体/马氏体钢(9Cr2WVTa)和12Cr-ODS钢(12YWT)相当(见表1)。

表1 Fe-Cr-Zr-W-Mo-B铁素体合金与9Cr铁素体/马氏体钢、12Cr-ODS钢的性能比较

实施例结果表明，本发明在Fe-(9～12wt.％)Cr的基础上，添加Zr使得基体中析出Fe-Zr金属间相，其弥散强化作用有利于高温强度的提高；B的添加可将铁素体基体的晶粒尺寸细化至1微米以下，细小的晶粒尺寸提高了合金的耐液态铅铋腐蚀性能。本发明的Fe-Cr-Zr-W-Mo-B铁素体合金满足了对耐高温、耐铅铋腐蚀、抗辐照的性能要求，可作为四代铅冷快堆和ADS系统的候选结构材料。