铁素体钢薄壁包层管的制备

用于反应堆的薄壁包层管的直径为8.5±0. 4mm ，厚0. 5 ±0. 03mm。薄壁包层管的制备有两个难点：一是纳米氧化物颗粒的存在及大变形量使材料硬化，不通过中间热处理难以进行轧制；二是轧制后得到的针状拉长晶粒形貌使材料的周向蠕变性能下降、延性变差，所以改变包层管的各向异性对提高内蠕变断裂强度至关重要。

铁素体钢中间热处理

中间热处理的目的是通过回复软化来降低硬度，以便于后续冷轧。中间热处理是轧制过程的关键，它不仅影响到冷轧，而且对最终的显微组织有重要的影响。

1.一步热处理　一步热处理工艺为：1250 ℃ ×30min →空冷。在室温生成铁素体相而不发生马氏体转变，因此能降低硬度。母管的晶粒细小，硬度是348Hv。第一次冷轧后硬度升高到395Hv ，通过一步热处理可将硬度降低到母管的水平。二次冷轧后的中间热处理将硬度降得比母管还要低，这是因为应变能的积累容易导致再结晶的发生。可见，高温热处理容易导致中间热处理过程中出现部分再结晶。虽然以50 %的压下量冷轧时硬度能限制在350Hv ，但是最终热处理后仍保留了部分拉长晶粒，表明再结晶不能完全进行。

一步热处理在温度低于1100 ℃时不能将硬度降低到400Hv 以下，但是如果温度高于1150 ℃，虽然硬度能降低到400Hv 以下，但是容易在中间热处理时发生部分再结晶，不利于最终热处理实现完全再结晶。

2.两步热处理　由一步热处理可得出，在中间热处理过程中一旦发生再结晶，最终的热处理就不能得到再结晶组织。两步热处理的目的是在中间热处理中只通过回复软化来降低硬度以便于后续冷轧，而不发生再结晶，保持了{111}〈110〉冷轧织构。这确保了最终热处理获得理想的再结晶组织。两步热处理的工艺为：1050 ℃×30min →1250 ℃×30min →空冷。

通常，二步热处理的温度选为1200 ℃，使硬度降低到足以进行冷轧。在中间热处理的过程中回复晶粒结构保持下来，储存了适当的能量，导致在最终的热处理过程中均匀形核和再结晶长大。这种特别的热处理使得可以稳定地制备薄壁包层管。

铁素体钢晶粒形貌控制

冷轧使得包层管沿轧制方向形成拉长的晶粒，晶粒直径为500nm ，长/ 径比为10220。这使得轴向和周向力学性能出现各向异性，引起延性的下降，不利于精密的薄壁包层管的成形。此外，细小的针状晶粒容易发生晶界滑移，降低了高温蠕变性能。因此，获得等轴晶粒是开发高性能ODS 铁素体钢包层管的重要环节，改变晶粒形貌是通过最终热处理来实现的，主要有再结晶热处理，马氏体相变（γ→α′） 和α→γ相变三种方法 。

铁素体钢Y2O3的溶解/析出

在氧化物颗粒（Y₂O₃、Al₂O₃、TiO₂和MgAl₂O₄）中，Y₂O₃是最有效的强化相，由于其具有溶解/ 析出机制。在机械合金化过程中，Y₂O₃ 颗粒发生溶解，并在热挤压时（1000℃）以Y₂Ti₂O复杂氧化物（2nm）的形式析出并且析出的氧化物颗粒的粒径小于添加的Y₂O₃的粒径。这对增强相的粒径、晶粒度、马氏体相变和ODS铁素体钢的高温蠕变性能都有至关重要的作用。Ti的添加有助于Y₂O₃的溶解，这不仅有利于获得更加细小的氧化物增强相，而且能使增强相在基体中的分布更加均匀。氧化物的粒径由不添加Ti 前的10～30nm降低到添加Ti后的1～10nm。然而，Ti含量过高会引起冷变形的困难，降低了材料的冷加工性。

为了平衡强度和可加工性， Ti的浓度确定为0.2 %。当O含量较高时，形成的Y₂Ti₂O复杂氧化物为立方Y₂ TiO₇ ( Y/O = 1∶1) 是稳定的。当O含量不足时，形成的是六方结构的Y₂TiO₅ ( Y/ Ti = 2∶1) 。Y₂O₃2TiO₂纳米复杂氧化物颗粒在析出的同时还与铁素体基体保持共格，氧化物和基体之间的晶格错配度为0.5% 。

铁素体钢残余α2Fe 的形成

MA 粉末是由超细α2Fe 晶粒构成的。在热挤压过程中，只有部分α2Fe 能转变成γ2Fe ，形成了一种特别的由γ2Fe 和拉长晶粒构成的双相组织。拉长的晶粒为热挤压时没有转变为γ2Fe 的α2Fe 晶粒。将该拉长的铁素体(α)称为残余α2Fe ，以区别于在最终热处理中通过γ→α扩散转变形成的铁素体(α) 。残余α2Fe 的形成可通过Ti含量和过剩O 浓度( EX. O) 来控制。EX. O定义为总的氧浓度(OTotal) 减去以Y₂O₃形式存在的氧(OY2O3) ：EX. O = [OTotal ] - [OY₂O₃ ]过剩O 意味着O 与Y结合并形成Y2Ti₂O复杂氧化物颗粒。9Cr2ODS 铁素体钢的高温强度很大程度上取决于EX. O。EX. O的控制是通过调节Fe2Y和Fe₂O₃粉末的比例来实现。用Fe2Y取代部分Y₂O₃ 粉末能降低EX.O，而添加Fe₂O₃能增加EX. O 。

传统的铁素体/马氏体钢的工作温度最高只能达到550～600 ℃，氧化物弥散强化（OxideDispersion St rengthened ，ODS） 铁素体钢能将工作温度提高到700 ℃。稳定的纳米氧化物颗粒赋予了材料优异的高温蠕变性能。ODS 铁素体钢具有BCC 晶体结构，在200dpa 的中子辐照条件下仍有非常低的辐照肿胀率。此外，ODS 铁素体钢还具有优异的抗氧化和抗腐蚀性。因此，ODS 铁素体钢可用于快反应堆和国际第Ⅳ代高级反应堆中的包层材料，第一壁材料及高温结构件。ODS 铁素体钢的开发对提高反应堆的热效率、减少环境污染、保证反应堆的安全性和长寿命运行具有重要意义。

合金元素( Fe 、Cr 、Ti 、W、Ta 、C) 满足低活化的要求。Cr含量的确定要综合考虑延性、断裂韧性和耐腐蚀性。W添加的目的是通过固溶强化提高高温强度。同时添加Ti和Y₂O₃有利于获得纳米尺度的氧化物颗粒，这大大提高了蠕变性能。ODS铁素体钢的制备用得最多的是热挤压工艺：首先在高纯Ar气氛中利用机械合金化（MA）将Y₂O₃颗粒均匀分散在基体中，然后将合金粉末密闭在低碳钢管中并在1150℃进行热挤压。热挤压后的母管进行多道次的冷轧，在每道次冷轧之间进行中间热处理，最终热处理后得到薄壁的包层管。

ODS 铁素体钢制备的关键有两个：一是获得均匀分布的纳米氧化物颗粒和适量的残余α2Fe ，从而提高蠕变性能；二是热挤压工艺制备薄壁包层管的工艺及改变拉长晶粒形貌以消除材料的各向异性。重点分析Y₂O₃ 颗粒的溶解/ 析出、残余α2Fe 的形成、薄壁包层管制备工程中的中间热处理和改变拉长晶粒形貌的方法 。

含铬大于14%的低碳铬不锈钢，含铬大于27%的任何含碳量的铬不锈钢，以及在上述成分基础上再添加有钼、钛、铌、硅、铝、、钨、钒等元素的不锈钢，化学成分中形成铁素体的元素占绝对优势，基体组织为铁素。这类钢在淬火（固溶）状态下的组织为铁素体，退火及时效状态的组织中则可见到少量碳化物及金属间化合物。

属于这一类的有Cr_l7、Cr₁₇Mo₂Ti、Cr₂₅，Cr₂₅Mo₃Ti、Cr₂₈等 。

ODS 铁素体钢虽然在制备工艺方面取得了较大的进展，但是结合该材料严酷的使用环境及安全性考虑，还有很多问题急需研究。离子辐照对ODS铁素体钢的力学性能、尺寸稳定性、显微组织的影响及其疲劳性能还有待进一步研究，并建立数据库以便于材料的设计。对于复杂的包层结构，高性能的焊接是安全运行的保证，焊接接头的设计及其辐照性能、蠕变性能也有待研究。液相金属块反应堆中使用液Pb合金作为冷却剂后，虽然提高了热交换效率，但是对材料抗腐蚀性提出了更高的要求，所以ODS铁素体钢在高温液态金属中的腐蚀也是一个很重要的方面。此外，如何制备大型的构件以扩展ODS铁素体钢的应用领域仍是一个难题 。2100433B

奥氏体－铁素体钢

这类钢因扩大γ区和稳定奥氏体元素的作用程度，不足以使钢在常温或很高的温度下具有纯奥氏体组织，因此为奥氏体－铁素体复相状态，其铁素体量也因成分及加热温度不同而可在较大的范围内变化。属于这一类的不锈钢很多，如低碳的18－8铬镍钢，加钛、铌、钼的18－8铬镍钢，特别是在铸钢的组织中均可见到铁素体，此外含铬大于14～15%而碳低于0．2%的铬锰不锈钢（如Cr17Mnll），以及现研究的和已获得应用的大多数铬锰氮不锈钢等。与纯奥氏体不锈钢比较，这类钢的优点很多，如屈服强度较高，抗晶间腐蚀的能力较高，应力腐蚀的敏感性低，焊接时产生热裂纹的倾向小，铸造流动性好等等。缺点是压力加工性能较差，点腐蚀倾向较大，易产生c相脆性，在强磁场作用下表现出弱磁性等。所有这些优点和缺点均来源于组织中的铁素体。

双相不锈钢也称奥氏体—铁素体不锈钢，这类钢种综合了铁素体钢和奥氏体钢的很多有意特性。由于铬和氮的含量很高，而且在通常情况下钼的含量也很高，双相不锈钢具有优良的抗点触和抗均匀腐蚀的性能。而双相显微结构则有助于双相不锈钢的高强度和高抗应力腐蚀破裂性能。另外，双相不锈钢还具有优良的可焊性能。

主要品种：卷材、中厚板、棒材

钢种牌号

钢种牌号/名称

EN ASTM UNS

化学成分， %

碳最大 氮 铬 镍 钼

1.4362 S32304 SAF 2304R

1.4410 S32750 SAF 2507R

1.4462 S32205 NAS329J3L

1.4162 S32101 LDX2101

- A789 S31500

0.03 0.10 23 4.8 0.3

0.03 0.27 25 7 4

0.03 0.17 22 5.7 3.1

0.04 0.22 21.5 1.5 0.3

0.03 0.10 19 5.25 3.0

机械性能

牌号 屈服强度 抗拉强度 延展率

MPa MPa %

牌号 屈服强度 抗拉强度 延展率 最大硬度

MPa MPa % Brielle

1.4362 420 650 20

1.4410 550 750 15

1.4462 480 700 20

1.4162 — — —

S31500 460 680 20

S32304 400 600 25 290

S32750 550 795 15 310

S32205 450 620 25 293

S32101 530 750 30 —

S31500 550 600 25 2902100433B

l 高强度

l 一般具有很高的抗腐蚀性能

l 优良的抗冲刷腐蚀性

l 优良的耐疲劳性能

l 很高的能量吸收性能

l 优良的可焊性能