一种高强高韧铁镍铬基耐热合金及其制备方法技术

一种高强高韧铁镍铬基耐热合金及其制备方法，成分按重量百分比含C 0.03～0.1％，Cr 14～17％，Mo 3～4％，Mn 1～2％，W 0～0.5％，Nb 0～1％，N 0～0.03％，B 0～0.002％，Zr 0～0.05％，Ni 35～38％，Y 0～0.05％，余量为Fe；方法为：(1)采用热解石墨、金属铁、金属铬、金属镍、金属钼、金属锰、金属钨、金属铌、金属锆、镍硼合金、铝钇合金、氮化铬作为原料；(2)将原料真空冶炼，浇铸制成铸锭；(3)在1000～1180℃进行锻造制成棒材，锻造比8～9；(4)锻造棒材在1000～1180℃进行压延轧制；(5)压延棒材在1040～1100℃进行热处理。本发明专利技术的产品具有较高的强度、优异的塑性和冲击性能，可以在不高于750℃的条件下长期使用。

【技术实现步骤摘要】
一种高强高韧铁镍铬基耐热合金及其制备方法
本专利技术属于耐热合金材料
，特别涉及一种高强高韧铁镍铬基耐热合金及其制备方法。
技术介绍
世界核电的发展可以划分为四代，分别为原型堆电站、大型商用核电站、先进轻水堆核电站(如AP1000、EPR等)及待开发的6种堆型核电站(如熔盐堆、气冷快堆、钠冷快堆等)；钠冷快堆是第四代先进核能系统的首选堆型，具有极高的安全性，能显著提高铀的利用率并大幅减少核废物。安全是核电的生命线；核电站的安全既是运行阶段面临的问题，也存在于核电站的设计和建设阶段；作为一个庞大而精密的完整系统，核电站的安全运行需要各关键部件的相互配合且长期正常运行，这给核电关键设备及用材的安全性和可靠性提出了严格要求。反应堆内部件种类繁多、结构复杂、精度要求高，且需要承受高温、中子辐射、冷却剂腐蚀等考验；因此，堆内部件的选材总原则一般为：强度适当高、塑韧性好、能抗冲击和疲劳；中子吸收界面、中子俘获截面以及感生放射性小；抗辐照、耐腐蚀并与冷却剂相容性好；导热率大、热膨胀系数小；良好的焊接和机加工工艺性能。例如，某新型核电站管件要求其母材具有较高的强度和极好的塑性，即在750℃下的抗拉强度和屈服强度分别高于265MPa和137MPa，延伸率高于35％，断面收缩率超过60％。一般来说，满足这一苛刻条件的材料只能是固溶强化型变形耐热合金，《中国高温合金手册》里收录的160多种耐热合中，只有22种是固溶强化变形合金；在这些合金中，有18种合金以Ni或Co为基体，含有较高的Cr+W+Mo元素(≥25wt.％)，经济性较差，不利于未来快堆的商用化；而且，这些合金硬度高，变形困难，还容易析出σ、μ或Laves等有害TCP相，严重损害合金在长时服役期间的组织或性能稳定性，并进一步威胁整个核电系统的可靠性和安全性；其他4种合金以铁镍铬为基体，但是或因强度、塑性不足，或因组织、性能不够稳定，也不能用来制作某新型核电站管件；因此，研发新的合金具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种高强高韧铁镍铬基耐热合金及其制备方法，以铁镍铬为基体元素，通过控制调节C、N、Nb、Mn等元素比例，制成强度韧性性能优良，适用于制造工作温度750℃以下的薄壁管件。本专利技术的高强高韧铁镍铬基耐热合金的成分按重量百分比含C0.03～0.1％，Cr14～17％，Mo3～4％，Mn1～2％，W0～0.5％，Nb0～1％，N0～0.03％，B0～0.002％，Zr0～0.05％，Ni35～38％，Y0～0.05％，余量为Fe及不可避免杂质；其在750℃条件下的抗拉强度≥265MPa，屈服强度≥137MPa，延伸率≥40％，断面收缩率≥60％。上述的高强高韧铁镍铬基耐热合金的成分按重量百分比含C0.04～0.09％，Cr14～17％，Mo3～3.5％，Mn1.2～1.8％，W0～0.2％，Nb0.1～0.5％，N0～0.02％，B0.001～0.002％，Zr0～0.02％，Ni35～37％，Y0～0.02％，余量为Fe及不可避免杂质；其在750℃条件下的抗拉强度≥275MPa，屈服强度≥137MPa，延伸率≥45％，断面收缩率≥65％。上述的高强高韧铁镍铬基耐热合金的不可避免杂质按重量百分比为O≤0.01％，Pb≤0.001％，Bi≤0.0001％，As≤0.005％，Sb≤0.01％，Sn≤0.005％，Al≤0.1％，Co≤0.1％，Si≤0.2％，Cu≤0.1％，P≤0.015％，S≤0.01％。本专利技术的高强高韧铁镍铬基耐热合金的制备方法按以下步骤进行：1、采用热解石墨、金属铁，金属铬、金属镍、金属钼和金属锰作为原料；当高强高韧铁镍铬基耐热合金含有钨、铌、锆、硼、钇或氮时，分别采用金属钨、金属铌、金属锆、镍硼合金、铝钇合金或氮化铬作为添加原料，添加原料与热解石墨、金属铁，金属铬、金属镍、金属钼和金属锰共同作为原料；2、将原料按上述成分进行真空冶炼，然后浇铸制成铸锭；当原料中有铝钇合金时，Al在冶炼过程中形成不可避免杂质；3、将铸锭在1000～1180℃进行锻造制成棒材，锻造比8～9；4、将热处理棒材在1000～1180℃进行压延轧制，制成压延棒材；5、将压延棒材在1040～1100℃保温30～120min进行热处理，空冷或水冷至常温制成高强高韧铁镍铬基耐热合金。上述的步骤2中，真空冶炼的条件为真空度≤1Pa。上述的步骤3中，锻造棒材的平均晶粒度4～8级。上述的步骤4中，压延轧制进行5～9个道次，制成的压延棒材与热处理棒材的直径比1:(4～5)。上述的步骤4中，压延棒材的平均晶粒度10～14级。上述的步骤5中，高强高韧铁镍铬基耐热合金的平均晶粒度4～6级。本专利技术的高强高韧铁镍铬基耐热合金用于制造工作温度为350～750℃的核电站用薄壁管件。某核电站薄壁管件在服役环境中受到高温、多重应力(自重、金属液冲刷、冲击载荷、地震)、腐蚀及辐照等的作用，综合性能(如拉伸、冲击等性能)会随时间推移持续退化；尤其在辐照作用下，管件合金中会产生大量点缺陷和He原子；He原子半径小、难溶于基体、不与其他原子结合，在应力作用下很容易在合金中迁移；它与点缺陷一起向位错、相界或晶界等界面处聚集，形成He泡，相当于孔洞或裂纹；在体系自由能和内应力的驱动下，He泡吸收周围点缺陷和He原子长大且倾向于相互连接，相当于裂纹扩展，导致管件合金发生肿胀变形或脆化；在这种情况下，自重、钠液冲刷、冲击载荷或地震都可能成为诱因，使裂纹持续扩展并最终导致合金断裂；另外，在应力作用下，点缺陷沿有利的方向聚集，可导致位错定向攀移而发生蠕变或加速蠕变变形，对合金也会造成严重损伤；可见，该管件合金需要有尽可能高的强度，因为强度越高，He泡或裂纹形成的抗力越大，或者即使形成，也难以长大，尺寸也会更小；该管件合金也需要有尽可能好的塑性，因为塑性越高，裂纹扩展抗力越大，越不容易扩展。管件合金具有高起点的强度和塑性，对于抵抗服役期间各种形式的组织和性能退化具有重要意义；通过化学成分、热变形工艺和热处理工艺等的优化研究，使管件合金拥有最佳综合性能，这样合金即使经历服役退化，剩余强度和塑性仍然能够保证管件(设计服役寿命40年)及整个核设施的安全。本专利技术的成分设计原理是：C：适量的C改善合金的铸造性能，与Cr、Mo、Nb等形成碳化物，提高合金的高温强度，并阻止晶界粗化。当C含量超过0.1％时，合金的热加工性能受到损害；Cr：溶于奥氏体中，改善合金的高温抗氧化性和耐腐蚀性。为了保持足够的高温抗氧化性和耐腐蚀性，需要较大的Cr含量；Cr增加合金的热膨胀系数和组织的不稳定性，因此含量不宜过高；Mn：Mn有除O的作用。Mn提高N的固溶度，有利于渗氮工艺；与N反应形成MnN时，提高合金硬度；Mn还有稳定奥氏体的作用；过量的Mn易于形成有害的Laves相；Mo：原子半径较大，对合金基体具有显著的固溶强化作用；W：在很多高温合金中，W、Mo作为强化元素本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高强高韧铁镍铬基耐热合金，其特征在于成分按重量百分比含C 0.03～0.1％，Cr 14～17％，Mo 3～4％，Mn 1～2％，W 0～0.5％，Nb 0～1％，N 0～0.03％，B 0～0.002％，Zr 0～0.05％，Ni 35～38％，Y 0～0.05％，余量为Fe及不可避免杂质；其在750℃条件下的抗拉强度≥265MPa，屈服强度≥137MPa，延伸率≥40％，断面收缩率≥60％。/n

【技术特征摘要】
1.一种高强高韧铁镍铬基耐热合金，其特征在于成分按重量百分比含C0.03～0.1％，Cr14～17％，Mo3～4％，Mn1～2％，W0～0.5％，Nb0～1％，N0～0.03％，B0～0.002％，Zr0～0.05％，Ni35～38％，Y0～0.05％，余量为Fe及不可避免杂质；其在750℃条件下的抗拉强度≥265MPa，屈服强度≥137MPa，延伸率≥40％，断面收缩率≥60％。


2.根据权利要求1所述的一种高强高韧铁镍铬基耐热合金，其特征在于成分按重量百分比含C0.04～0.09％，Cr14～17％，Mo3～3.5％，Mn1.2～1.8％，W0～0.2％，Nb0.1～0.5％，N0～0.02％，B0.001～0.002％，Zr0～0.02％，Ni35～37％，Y0～0.02％，余量为Fe及不可避免杂质；其在750℃条件下的抗拉强度≥275MPa，屈服强度≥137MPa，延伸率≥45％，断面收缩率≥65％。


3.一种权利要求1所述的高强高韧铁镍铬基耐热合金的制备方法，其特征在于按以下步骤进行：
(1)采用热解石墨、金属铁、金属铬、金属镍、金属钼和金属锰作为原料；当高强高韧铁镍铬基耐热合金含有钨、铌、锆、硼、钇或氮时，分别采用金属钨、金属铌、金属锆、镍硼合金、铝钇合金或氮化铬作为添加原料，添加原料与热解石墨、金属铁、金属铬、金属镍、金属钼和金属锰共同作为原料；
(2)将原料按上述成分进...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦学智，吴云胜，郭永安，王常帅，侯介山，周兰章，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21