一种耐辐照含Cu纳米团簇强化高强度低合金钢及其制备方法与流程

　　本发明属于核结构材料及其制备技术领域，具体涉及一种耐辐照含cu纳米团簇强化高强度低合金钢及其制备方法。

　　背景技术：

　　核能应用更重要的问题之一是核安全问题，核工程结构材料的安全稳定性是决定核电站、移动核动力以及未来聚变堆能否安全运行的关键因素。核反应堆在长期的运转过程中，由于中子等强粒子对材料的辐照引起材料原子级联移位而形成空位、间隙原子并促使合金中溶质原子的偏析而形成原子团簇等材料缺陷，如果有大量的空位缺陷聚集会出现严重的材料肿胀效应，从而对结构材料机械性能的稳定性产生影响，更终由于辐照诱导脆性等原因而导致材料失效，这对核反应堆和移动核动力的安全构成极大的隐患。

　　压力容器是核反应堆的关键部件，其脆化的根本原因是辐照引起的材料微观结构变化，这种变化对脆化的影响与材料成分、初始微观结构和辐照条件有关。现有研究认为引起硬化和脆化主要原因有中子辐照引起的晶内纳米尺度的沉淀相、基体损伤和杂质在晶界的偏析以及它们的相互作用，使韧脆转变温度(dbtt)升高而导致脆化。在以上辐照脆化的原因中，目前普遍认为沉淀相“尤其是高密度的纳米级cu沉淀团簇的析出阻碍位错滑移”占主导地位。然而，其他几种类型的钢由相似或稍大尺寸的富铜纳米相强化，如高强度低合金(hsla)钢和沉淀硬化(ph)不锈钢，具有高强度和优异的塑韧性而不会脆化。本发明创新地将此富铜纳米团簇作为缺陷陷阱，吸收辐照诱导缺陷和溶质原子，提升耐辐照性能。传统核结构材料仅能承受不足10dpa的辐照剂量不脆化，而本发明开发的合金材料可耐超过50dpa的高剂量离子辐照，仍保持良好的强度和塑韧性而不脆化。

　　公开号为cn105239010a的**文件中，公开了一种cr-y-o纳米团簇氧化物弥散强化低活化钢，氧化物纳米团簇弥散分布，不仅具备优异的力学性能，还具备低活化性能以及良好的抗辐照肿胀能力，但纳米团簇的成本和本**不同。公开号cn109594009a的**中报道了一种含有tac纳米析出相的抗辐照低活化钢，获得的抗辐照低活化钢在550℃、195mpa加载条件下的蠕变持久时间超过5000h，该**中纳米相的成本和本**不同。

　　技术实现要素：

　　本发明的目的在于提供一种具有高强度和高延伸率的耐辐照含cu纳米团簇强化高强度低合金钢。本发明的目的还在于提供一种耐辐照含cu纳米团簇强化高强度低合金钢的制备方法。

　　为实现本发明的目的，采用的技术方案为：

　　一种耐辐照含cu纳米团簇强化高强度低合金钢，其成分和质量百分比为：cu0.5-4.0％、ni0.5-6.0％、mn0.2-2.0％、cr0.1-1.5％、mo0.2-1.5％、al0-0.5％、nb0-0.5％，余量为铁。

　　一种耐辐照含cu纳米团簇强化高强度低合金钢的制备方法，包含以下步骤：

　　步骤一：按照一种耐辐照含cu纳米团簇强化高强度低合金钢的成分及质量百分含量配置原料，其成分和质量百分比为：cu0.5-4.0％、ni0.5-6.0％、mn0.2-2.0％、cr0.1-1.5％、mo0.2-1.5％、al0-0.5％、nb0-0.5％，余量为铁；

　　步骤二：将合金原料置于坩埚内，抽真空至1×10-2mpa以上后充入氩气至0.01-0.1mpa；

　　步骤三：采用高真空电弧熔炼，反复熔炼2-10次，在水冷铜模具中吸铸成φ20mm合金棒材；

　　步骤四：将合金棒材在900～1100℃热轧到10mm厚，下压量单道次10％，热轧后保温0.25～1h；然后，将试样冷轧到2mm厚，每道次0.4～0.6mm；

　　步骤五：固溶时效处理；

　　步骤六：离子辐照。

　　所述固溶处理温度为880～1000℃，固溶时间为30～180min；时效温度为475～600℃，时效时间为2～1200min。

　　所述离子辐照注入的au2+离子的能量为3～9mev，注量为1.0×1014～1.0×1017ions/cm2，dpa为40～75。

　　本发明的有益效果为：

　　本发明通过合金成分设计，通过时效析出富cu纳米团簇强化合金，并作为辐照诱导缺陷陷阱提高耐辐照性能，可耐超过50dpa的高剂量离子辐照，具有优异的耐辐照性能，在核结构材料尤其是压力容器用钢领域具有很好的应用前景。

　　附图说明

　　图1为500℃时效2min的显微结构；

　　图2为500℃时效1h的显微结构；

　　图3为500℃时效20h的显微结构；

　　图4为500℃硬度随时效时间的变化曲线；

　　图5为固溶和500℃不同时效时间处理的工程应力-应变曲线；

　　图6为固溶态和各时效态试样辐照前后纳米压痕硬度图；

　　图7为固溶态和各时效态试样辐照前后杨氏模量变化图；

　　图8为峰时效态未辐照富铜纳米团簇强化钢中富cu纳米团簇分布图；

　　图9为峰时效态au2+辐照后富铜纳米团簇强化钢中富cu和富ni纳米团簇分布图。

　　具体实施方式：

　　下面结合附图对本发明进一步详细说明。

　　本发明属于核结构材料及其制备技术领域，具体涉及一种耐辐照含cu纳米团簇强化高强度低合金钢及其制备方法。目的在于提供一种具有高强度和高延伸率的耐辐照含cu纳米团簇强化高强度低合金钢及其制备方法。

　　为实现本发明的目的，采用的技术方案为：

　　一种耐辐照含cu纳米团簇强化高强度低合金钢，其成分和质量百分比为：cu0.5-4.0％、ni0.5-6.0％、mn0.2-2.0％、cr0.1-1.5％、mo0.2-1.5％、al0-0.5％、nb0-0.5％，余量为铁。

　　一种耐辐照含cu纳米团簇强化高强度低合金钢的制备方法，包含以下步骤：

　　步骤一：按照一种耐辐照含cu纳米团簇强化高强度低合金钢的成分及质量百分含量配置原料，其成分和质量百分比为：cu0.5-4.0％、ni0.5-6.0％、mn0.2-2.0％、cr0.1-1.5％、mo0.2-1.5％、al0-0.5％、nb0-0.5％，余量为铁；

　　步骤二：将合金原料置于坩埚内，抽真空至1×10-2mpa以上后充入氩气至0.01-0.1mpa。

　　步骤三：采用高真空电弧熔炼，反复熔炼2-10次，在水冷铜模具中吸铸成φ20mm合金棒材；

　　步骤四：将合金棒材在900～1100℃热轧至10mm，下压量单道次10％，热轧后保温0.25～1h；然后，将试样冷轧至2mm，每道次0.4～0.6mm；

　　步骤五：固溶时效处理；

　　步骤六：离子辐照。

　　所述固溶处理温度为880～1000℃，固溶时间为30～180min；时效温度为475～600℃，时效时间为2～1200min。

　　所述离子辐照注入的au2+离子的能量为3～9mev，注量为1.0×1014～1.0×1017ions/cm2，dpa为40～75。

　　进一步描述如下，

　　本实施例中的富cu纳米团簇强化钢的化学成分，按质量百分比为：cu2.25％、ni4.17％、mn0.97％、c0.46％、mo0.85％、al0.01％、nb0.06％，余量为铁。具体工艺如下：

　　(1)熔炼：所设计成分按质量百分比称重配料，在高真空电弧熔炼炉中进行合金熔炼，反复熔炼5次并在第二次开始采用磁搅拌确保元素混合均匀，在水冷铜坩埚中吸铸成直径为20mm的合金棒。

　　(2)轧制：对以上合金棒进行热轧处理，在1000℃热轧到10mm厚，下压量单道次10％，热轧后保温1min。然后，将试样冷轧到2mm厚，每道次0.5mm。

　　(3)热处理：将轧制得到的试样在900℃固溶保温30min后水冷。时效温度为500℃，保温时间为2min，60min和1200min。

　　(4)离子辐照：对固溶态，500℃欠时效、峰时效和过时效态试样进行离子辐照，采用6mev的au2+辐照，辐照注量为1×1016ion/cm2，辐照深度约为800nm，峰值损伤在400nm附近，达近70dpa。

　　经过固溶和不同时效时间处理的富铜纳米团簇强化钢显微结构均为板条铁素体，如图1-3所示，500℃时效处理对显微结构和晶粒尺寸几乎无影响。固溶和500℃时效后硬度和拉伸性能如图4和5所示，时效1h硬度更高，为340hv，对应的屈服强度为979mpa，抗拉强度为1023mpa，延伸率为24％。选取固溶、欠时效、峰时效和过时效试样进行au2+离子辐照，固溶和欠时效态试样由于纳米团簇的析出发生硬化，峰时效和过时效试样由于纳米团簇的粗化发生软化，而辐照对杨氏模量几乎无影响，如图6-7所示。对峰时效态辐照前后试样进行了三维原子探针表征，如图8和9所示，发现预置富cu纳米团簇可以作为辐照诱导缺陷陷阱吸收溶质原子从而提高耐辐照性能，可耐超过50dpa的高剂量离子辐照。