具有低中子吸收的超高铝抗辐照耐热铁素体不锈钢合金材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种具有低中子吸收的超高铝抗辐照耐热铁素体不锈钢合金材料及其制备方法，本发明专利技术铁素体不锈钢合金材料，具有如下主要成分质量百分比：C≤0.03，N≤0.02，S≤0.01，P≤0.02，Cr：10.0～15.0，Al：7.0～15.0，其余部分为铁和不可避免的杂质，且Al含量与Cr含量满足下式要求：0.7≤[Al]/[Cr]≤1.0。本发明专利技术经配料和真空感应熔制后，浇注成型，经热锻、穿管、热轧、冷轧和退火处理等工艺，最终制得具有低中子吸收的超高铝抗辐照耐热铁素体不锈钢合金材料管材或板材。本发明专利技术有效地改善了铁素体不锈钢在300‑600℃长期使用变脆的不足，可以大幅度降低原材料成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种不锈钢合金材料及其制备方法，特别是涉及一种含铝铁素体不锈钢合金材料及其制备方法，应用于核功能钢铁合金材料

技术介绍
核能作为高效、清洁的能源，不仅在安全性、稳定性以及对环境的保护性上具有明显的优势，更是一种经济的能源，在未来的能源机构中必将成为新一代的能源支柱。目前水冷核反应堆用核燃料包壳材料采用的是锆合金，其原因主要是利用锆具有较小的热中子吸收截面仅0.18巴恩，能够减少能量损失。同样，铝的热中子吸收截面也很小，为0.22巴恩，铝合金主要用于工作温度低如重水慢化轻水冷却和重水慢化重水冷却等反应堆中，铝合金的广泛应用受到限制的原因是其强度较低和腐蚀问题。此外，由于锆合金的稀少和价格等问题，目前含铝铁素体不锈钢已引起关注，含铝3-7%的中高铬铁素体不锈钢主要用于高温电热丝，其工作温度一般在1000-1300℃。而水冷核反应堆用核燃料包壳材料的工作温度一般在300-600℃间，若将含铝铁素体不锈钢长期应用于该温度区间，主要考虑的问题是如何抑制或避免铁素体不锈钢的475℃脆性。近年来，为了降低成本和提高含铝铁素体不锈钢的性能，科研人员在这方面做了大量的研究工作，但目前公开的含铝铁素体不锈钢材料在强度、成本、耐腐蚀和加工成型性的综合性能上还不够理想，475℃脆性问题带来的在材料应用中的不利影响还不能有效克服，还不能大量代替锆合金等系列材料，不能完全保证在300-600℃的工况下长期使用的安全性。
技术实现思路
为了解决现有技术问题，本专利技术的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种具有低中子吸收的超高铝抗辐照耐热铁素体不锈钢合金材料及其制备方法，本专利技术铁素体不锈钢合金材料具有强度高、成本低，耐腐蚀和加工成型性优良等特点，本专利技术合金材料在其成分范围内的钢经冷热轧和退火处理后，其室温拉伸断裂强度在350～650Mpa范围，屈服强度在210～350Mpa范围，断裂延伸率在25～50％范围。本专利技术采用超高铝加入铁素体不锈钢中，有效抑制甚至消除铁素体不锈钢的475℃脆性缺陷，从而有效地改善了铁素体不锈钢在300-600℃长期使用变脆的不足，是未来替换锆合金等系列的最佳候选材料，可以大幅度降低原材料成本。为达到上述专利技术创造目的，本专利技术采用如下专利技术构思：根据铝具有较小热中子吸收截面和抗辐照肿胀性较好的特性，以及铝具有抑制sigma相产生的合金化原理，本专利技术通过大量试验研究发现，超高铝加入铁素体不锈钢中，可以抑制或消除铁素体不锈钢475℃脆性，从而有效地改善了铁素体不锈钢在300-600℃长期使用变脆的难题。根据上述专利技术构思，本专利技术采用下述技术方案：一种具有低中子吸收的超高铝抗辐照耐热铁素体不锈钢合金材料，其主要成分按照如下质量百分比(%)组成：C≤0.03，N≤0.02，S≤0.01，P≤0.02，Cr：10.0～15.0，Al：7.0～15.0，其成分还含有Si、Mo、Sn、Nb和Zr中的任意一种元素或任意几种元素，以成分的质量百分比（%）计，含量为Si≤2.0，Mo≤3.0，Sn≤1.0，Nb≤2.0，Zr≤2.0，其余成分为铁和不可避免的杂质，随Cr含量的增加，最小Al含量增加，且Al含量与Cr含量满足下式要求：0.7≤[Al]/[Cr]≤1.0，其中[Al]表示Al在合金材料中的质量百分含量，[Cr]表示Cr在合金材料中的质量百分含量。作为本专利技术优选的技术方案，铁素体不锈钢合金材料的主要成分按照如下质量百分比(%)组成：主要成分按照如下质量百分比(%)组成：C：0.002～0.03，N：0.001～0.005，S：0.001～0.005，P：0.01～0.016，Cr：10.5～13.5，Al：8.0～11.0。作为上述技术方案的第一种进一步优选的技术方案，铁素体不锈钢合金材料的主要成分按照如下质量百分比(%)组成：C：0.015～0.025，N：0.002～0.005，S：0.001～0.005，P：0.01～0.015，Cr：10.5～13.0，Al：8.0～11.0，Si：0.2～0.5，其余成分为铁和不可避免的杂质。作为更优选的技术方案，铁素体不锈钢合金材料的主要成分按照如下质量百分比(%)组成：C：0.015～0.025，N：0.002～0.003，S：0.001～0.002，P：0.01～0.015，Cr：12.5～13.0，Al：10.0～11.0，Si：0.4～0.5，其余成分为铁和不可避免的杂质。作为上述技术方案的第二种进一步优选的技术方案，铁素体不锈钢合金材料的主要成分按照如下质量百分比(%)组成：C：0.002～0.005，N：0.002～0.003，S：0.001～0.002，P：0.012～0.013，Cr：11.0～13.0，Al：8.0～11.0，Mo：0.5～0.9，其余成分为铁和不可避免的杂质。作为上述技术方案的第三种进一步优选的技术方案，铁素体不锈钢合金材料的主要成分按照如下质量百分比(%)组成：C：0.003～0.03，N：0.003～0.005，S：0.001～0.0012，P：0.012～0.016，Cr：12.0～13.5，Al：9.8～11.0，Sn：0.2～0.4，其余成分为铁和不可避免的杂质。作为上述技术方案的第四种进一步优选的技术方案，铁素体不锈钢合金材料的主要成分按照如下质量百分比(%)组成：C：0.002～0.03，N：0.001～0.003，S：0.001～0.002，P：0.012～0.014，Cr：11.0～12.5，Al：9.0～10.5，Nb：0.15～0.5，其余成分为铁和不可避免的杂质。作为上述技术方案的第五种进一步优选的技术方案，铁素体不锈钢合金材料的主要成分按照如下质量百分比(%)组成：C：0.002～0.02，N：0.002～0.003，S：0.0015～0.002，P：0.011～0.015，Cr：11.5～13.0，Al：8.0～10.5，Zr：0.13～0.25，其余成分为铁和不可避免的杂质。一种具有低中子吸收的超高铝抗辐照耐热铁素体不锈钢合金材料的制备方法，包括如下步骤：a.采用真空感应熔炼工艺，在原料配料时，主要原料成分按照如下质量百分比(%)组成进行原料配料：C≤0.03，N≤0.02，S≤0.01，P≤0.02，Cr：10.0～15.0，Al：7.0～15.0，原料组成中还优选添加含有Si、Mo、Sn、Nb和Zr中的任意一种元素材料或任意几种元素材料，以原料的质量百分比（%）计，含量为Si≤2.0，Mo≤3.0，Sn≤1.0，Nb≤2.0，Zr≤2.0，其余成分为铁，随Cr含量的增加，最小Al含量增加，且Al含量与Cr含量满足下式要求：0.7≤[Al]/[Cr]≤1.0，其中[Al]表示Al在合金原料中的质量百分含量，[Cr]表示Cr在合金原料中的质量百分含量，将配料后称量的全部原料进行真空感应熔炼，得到合金熔体；原料主要成分优选按照如下质量百分比(%)组成：C：0.002～0.03，N：0.001～0.005，S：0.001～0.005，P：0.01～0.016，Cr：10.5～13.5，Al：8.0～11.0；原料主要成分进一步优选按照如下质量百分比(%)组成：C：0.015～0.02本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有低中子吸收的超高铝抗辐照耐热铁素体不锈钢合金材料，其特征在于，其主要成分按照如下质量百分比(％)组成：C≤0.03，N≤0.02，S≤0.01，P≤0.02，Cr：10.0～15.0，Al：7.0～15.0，其成分还含有Si、Mo、Sn、Nb和Zr中的任意一种元素或任意几种元素，以成分的质量百分比(％)计，含量为Si≤2.0，Mo≤3.0，Sn≤1.0，Nb≤2.0，Zr≤2.0，其余成分为铁和不可避免的杂质，随Cr含量的增加，最小Al含量增加，且Al含量与Cr含量满足下式要求：0.7≤[Al]/[Cr]≤1.0，其中[Al]表示Al在合金材料中的质量百分含量，[Cr]表示Cr在合金材料中的质量百分含量。

【技术特征摘要】
1.一种具有低中子吸收的超高铝抗辐照耐热铁素体不锈钢合金材料，其特征在于，其主要成分按照如下质量百分比(％)组成：C≤0.03，N≤0.02，S≤0.01，P≤0.02，Cr：10.0～15.0，Al：7.0～15.0，其成分还含有Si、Mo、Sn、Nb和Zr中的任意一种元素或任意几种元素，以成分的质量百分比(％)计，含量为Si≤2.0，Mo≤3.0，Sn≤1.0，Nb≤2.0，Zr≤2.0，其余成分为铁和不可避免的杂质，随Cr含量的增加，最小Al含量增加，且Al含量与Cr含量满足下式要求：0.7≤[Al]/[Cr]≤1.0，其中[Al]表示Al在合金材料中的质量百分含量，[Cr]表示Cr在合金材料中的质量百分含量。2.根据权利要求1所述具有低中子吸收的超高铝抗辐照耐热铁素体不锈钢合金材料，其特征在于：主要成分按照如下质量百分比(％)组成：C：0.002～0.03，N：0.001～0.005，S：0.001～0.005，P：0.01～0.016，Cr：10.5～13.5，Al：8.0～11.0。3.根据权利要求2所述具有低中子吸收的超高铝抗辐照耐热铁素体不锈钢合金材料，其特征在于：主要成分按照如下质量百分比(％)组成：C：0.015～0.025，N：0.002～0.005，S：0.001～0.005，P：0.01～0.015，Cr：10.5～13.0，Al：8.0～11.0，Si：0.2～0.5，其余成分为铁和不可避免的杂质。4.根据权利要求3所述具有低中子吸收的超高铝抗辐照耐热铁素体不锈钢合金材料，其特征在于：主要成分按照如下质量百分比(％)组成：C：0.015～0.025，N：0.002～0.003，S：0.001～0.002，P：0.01～0.015，Cr：12.5～13.0，Al：10.0～11.0，Si：0.4～0.5，其余成分为铁和不可避免的杂质。5.根据权利要求2所述具有低中子吸收的超高铝抗辐照耐热铁素体不锈钢合金材料，其特征在于：主要成分按照如下质量百分比(％)组成：C：0.002～0.005，N：0.002～0.003，S：0.001～0.002，P：0.012～0.013，Cr：11.0～13.0，Al：8.0～11.0，Mo：0.5～0.9，其余成分为铁和不可避免的杂质。6.根据权利要求2所述具有低中子吸收的超高铝抗辐照耐热铁素体不锈钢合金材料，其特征在于：主要成分按照如下质量百分比(％)组成：C：0.003～0.03，N：0.003～0.005，S：0.001～0.0012，P：0.012～0.016，Cr：12.0～13.5，Al：9.8～11.0，Sn：0.2～0.4，其余成分为铁和不可避免的杂质。7.根据权利要求2所述具有低中子吸收的超高铝抗辐照耐热铁素体不锈钢合金材料，其特征在于：主要成分按照如下质量百分比(％)组成：C：0.002～0.03，N：0.001～0.003，S：0.001～0.002，P：0.012～0.014，Cr：11.0～12.5，Al：9.0～10.5，Nb：0.15～0.5，其余成分为铁和不可避免的杂质。8.根据权利要求2所述具有低中子吸收的超高铝抗辐照耐热铁素体不锈钢合金材料，其特征在于：主要成分按照如下质量百分比(％)组成：C：0.002～0.02，N：0.002～0.003，S：0.0015～0.002，P：0.011～0.015，Cr：11.5～13.0，Al：8.0～10.5，Zr：0.13～0.25，其余成分为铁和不可避免的杂质。9.一种具有低中子吸收的超高铝抗辐照耐热铁素体不锈钢合金材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：a.采用真空感应熔炼工艺，在原料配料时，主要原料成分按照如下质量百分比(％)组成进行原料配料：C≤0.03，N≤0.02，S≤0.01，P≤0.02，Cr：10.0～15.0，A...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖学山，杨智，李钧，徐裕来，武昭妤，彭伟，张华伟，王雷，李帅，洪笑宇，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：上海;31