本發(fā)明涉及一種材料的熱加工方法，屬于金屬材料改性及塑性成型領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
核聚變堆包層的服役環(huán)境遠(yuǎn)比核裂變更為惡劣，聚變堆包層的結(jié)構(gòu)材料面臨高能中子輻照(14MeV)、高溫、高熱流密度(>1MW/m2)、復(fù)雜機(jī)械載荷以及液態(tài)金屬腐蝕等多種復(fù)雜環(huán)境的協(xié)同作用。低活化鐵素體/馬氏體鋼(RAFM鋼)以其較高的熱導(dǎo)率、較低的輻照腫脹和抗液態(tài)PbLi腐蝕等優(yōu)越性以及較為成熟的工業(yè)基礎(chǔ)，被普遍認(rèn)為是聚變堆的首選結(jié)構(gòu)材料。2002年以來，中國科學(xué)院核能安全技術(shù)研究所研發(fā)的中國低活化抗中子輻照結(jié)構(gòu)鋼CLAM(China Low Activation Martensitic)鋼(ZL 200610085908.2)已進(jìn)行了100余爐次的冶煉，開展了純凈化冶煉工藝探索，冶煉水平已發(fā)展到數(shù)百公斤級(jí)，主要設(shè)計(jì)成分含量基本達(dá)到了穩(wěn)定可控水平，并制造出了各種板材。數(shù)百公斤級(jí)的CLAM加工工藝雖然對(duì)工業(yè)規(guī)模(6噸以上)CLAM鋼板材的生產(chǎn)具有一定的參考意義，但是工業(yè)規(guī)模大尺寸的CLAM鋼鑄錠存在較為嚴(yán)重的偏析和組織性能的不均勻性，沿用以前的加工工藝，材料的屈服強(qiáng)度為460MPa，室溫沖擊吸收功為130J，不滿足聚變堆設(shè)計(jì)的使用要求。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
針對(duì)工業(yè)規(guī)模大尺寸低活化馬氏體鋼板材加工工藝存在的問題，本發(fā)明的目的是提供一種聚變堆用工業(yè)規(guī)模低活化馬氏體鋼板熱軋板材加工方法，通過調(diào)整了坯料鍛造工藝和板材熱加工工藝，使得工業(yè)規(guī)模大尺寸低活化馬氏體鋼板各性能滿足聚變堆的設(shè)計(jì)要求，也適合在裂變堆中的應(yīng)用。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
一種聚變堆用工業(yè)規(guī)模低活化馬氏體鋼熱軋板材熱加工方法，其主要成分為Cr 8.5～9.5％，W 1.2～1.7％，V 0.15～0.25％，Ta 0.12～0.18％，Mn 0.4～0.5％，C 0.8～1.2％，其余為Fe元素。按此成分配比，在真空感應(yīng)爐內(nèi)對(duì)爐料進(jìn)行熔煉:(1)真空度0.1-10Pa充氬氣至0.005-0.08MPA，熔化溫度1450～1650℃；(2)合金加料順序，首先熔化純Fe，然后加入Cr、W，接著加入Ta、V，最后添加C、Mn，同時(shí)視純鐵中氧含量水平，在加Cr之前添加少量C進(jìn)行脫氧處理；(3)在線檢測(cè)合金元素成分并依據(jù)測(cè)試結(jié)果增補(bǔ)合金元素；(4)成分合格后在真空下澆注，澆注溫度1450～1550℃。獲得的6噸以上直徑為400-800mm鑄錠后的具體加工工藝如下：
(1)坯料鍛造工藝：將鑄錠經(jīng)1180-1280℃保溫25-45h擴(kuò)散退火后，降溫至1150±20℃并保溫1-5h后進(jìn)行鍛造，開鍛溫度：≥1050℃；終鍛溫度：≥850℃，再燒時(shí)間≥30min；鍛造完成后將坯料緩慢冷卻至100℃以下，再進(jìn)行760±10℃/6-20h回火處理，獲得熱軋板材的鍛造坯料。
(2)將坯料在1050-1160℃保溫80-100min后進(jìn)行軋制，終軋溫度≥900℃，變形量≥400％，軋制板材空冷后不做淬火處理，直接進(jìn)行740±20℃/90-140min回火處理，即可獲得成品板材。
本發(fā)明適于6噸以上厚度在40-100mm工業(yè)規(guī)模低活化馬氏體鋼熱軋板材的加工。
本發(fā)明與現(xiàn)有低活化馬氏體鋼板材熱加工工藝相比的優(yōu)點(diǎn)在于：
(1)通過長時(shí)高溫?cái)U(kuò)散退火，確保了合金元素的充分固溶，尤其適用于高Ta含量的低活化鋼，提高了工業(yè)規(guī)模大鑄錠的成分均勻性。
(2)通過軋制空冷后直接回火，省去了淬火處理環(huán)節(jié)，節(jié)約了時(shí)間和成本。
(3)本發(fā)明通過高溫軋制形變熱處理工藝，細(xì)化晶粒，可以使工業(yè)規(guī)模低活化馬氏體鋼板材具有良好室溫強(qiáng)度和韌性以及高溫持久性能。其室溫力學(xué)性能為：屈服強(qiáng)度Rp0.2≥530MPa，抗拉強(qiáng)度板Rm≥690MPa，延伸率A≥20％，斷面收縮率Z≥70％；橫向沖擊功和縱向沖擊功Akv≥220J。在550℃，190MPa應(yīng)力條件下的持久時(shí)間超過2000h，延伸率A≥25％，這些性能均滿足聚變堆的設(shè)計(jì)要求，也適合在裂變堆中的應(yīng)用。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1
一種聚變堆用低活化馬氏體鋼，其主要成分為Cr 9％，W 1.5％，V 0.20％，Ta 0.15％，Mn 0.45％，C 1.0％，其余為Fe元素。按此成分配比，在真空感應(yīng)爐內(nèi)對(duì)爐料進(jìn)行熔煉:(1)真空度0.1-10Pa充氬氣至0.005-0.08MPa，熔化溫度1450～1650℃；(2)合金加料順序，首先熔化純Fe，然后加入Cr、W，接著加入Ta、V，最后添加C、Mn，同時(shí)視純鐵中氧含量水平，在加Cr之前添加少量C進(jìn)行脫氧處理；(3)在線檢測(cè)合金元素成分并依據(jù)測(cè)試結(jié)果增補(bǔ)合金元素；(4)成分合格后在真空下澆注，澆注溫度1450～1550℃。獲得的6噸以上直徑為400mm的鑄錠
(1)坯料鍛造工藝：
1)加熱：對(duì)鑄錠進(jìn)行1180-1280℃保溫25h擴(kuò)散退火，入爐時(shí)爐溫不超過600℃，施行階梯式升溫，升溫速率不超過50℃/h，擴(kuò)散退火結(jié)束后爐冷至1150±20℃并保溫2h；
2)鍛造，開鍛溫度：≥1050℃；終鍛溫度：≥850℃，回爐再燒時(shí)間≥30min；
3)退火：鍛造完成后將坯料放入未加熱的退火爐緩慢冷卻至100℃以下，退火爐初始溫度不超過200℃；
4)回火：再將坯料進(jìn)行加熱760±10℃/8h回火處理，回火爐初始溫度不超過100℃，升溫速率不超過120℃/h，回火保溫結(jié)束后隨爐冷卻至400℃以下出爐空冷，獲得熱軋板材的鍛造坯料。
(2)板材熱加工：
1)熱軋：將坯料在1050-1160℃保溫80min后進(jìn)行軋制，終軋溫度≥900℃，變形量≥400％；
2)熱處理：軋制板材空冷后不做淬火處理，直接進(jìn)行740±20℃/100min回火處理，回火爐初始溫度不超過100℃，升溫速率不超過120℃/h，回火后直接出爐空冷即可獲得成品板材。
(3)對(duì)所得鋼板進(jìn)行性能測(cè)試，得到鋼板不同位置的室溫屈服強(qiáng)度Rp0.2均大于530MPa，，延伸率A均超過25％，橫向沖擊功和縱向沖擊功Akv均高于220J；在550℃，190MPa應(yīng)力條件下的持久時(shí)間均超過2000h。
實(shí)施例2
一種聚變堆用低活化馬氏體鋼，其主要成分為Cr 9％，W 1.5％，V 0.20％，Ta 0.15％，Mn 0.45％，C 1.0％，其余為Fe元素。按此成分配比，在真空感應(yīng)爐內(nèi)對(duì)爐料進(jìn)行熔煉:(1)真空度0.1-10Pa充氬氣至0.005-0.08MPa，熔化溫度1450～1650℃；(2)合金加料順序，首先熔化純Fe，然后加入Cr、W，接著加入Ta、V，最后添加C、Mn，同時(shí)視純鐵中氧含量水平，在加Cr之前添加少量C進(jìn)行脫氧處理；(3)在線檢測(cè)合金元素成分并依據(jù)測(cè)試結(jié)果增補(bǔ)合金元素；(4)成分合格后在真空下澆注，澆注溫度1450～1550℃。獲得的6噸以上直徑為600mm的鑄錠。
(1)坯料鍛造工藝：
1)加熱：對(duì)鑄錠進(jìn)行1180-1280℃保溫32h擴(kuò)散退火，入爐時(shí)爐溫不超過600℃，施行階梯式升溫，升溫速率不超過50℃/h，擴(kuò)散退火結(jié)束后爐冷至1150±20℃并保溫3h；
2)鍛造，開鍛溫度：≥1050℃；終鍛溫度：≥850℃，回爐再燒時(shí)間≥30min；
3)退火：鍛造完成后將坯料放入未加熱的退火爐緩慢冷卻至100℃以下，退火爐初始溫度不超過200℃；
4)回火：再將坯料進(jìn)行加熱760±10℃/12h回火處理，回火爐初始溫度不超過100℃，升溫速率不超過120℃/h，回火保溫結(jié)束后隨爐冷卻至400℃以下出爐空冷，獲得熱軋板材的鍛造坯料。
(2)板材熱加工：
1)熱軋：將坯料在1050-1160℃保溫90min后進(jìn)行軋制，終軋溫度≥900℃，變形量≥400％；
2)熱處理：軋制板材空冷后不做淬火處理，直接進(jìn)行740±20℃/120min回火處理，回火爐初始溫度不超過100℃，升溫速率不超過120℃/h，回火后直接出爐空冷即可獲得成品板材。
(3)對(duì)所得鋼板進(jìn)行性能測(cè)試，得到鋼板不同位置的室溫屈服強(qiáng)度Rp0.2均大于530MPa，，延伸率A均超過25％，橫向沖擊功和縱向沖擊功Akv均高于220J；在550℃，190MPa應(yīng)力條件下的持久時(shí)間均超過2000h。
實(shí)施例3：
一種聚變堆用低活化馬氏體鋼，其主要成分為Cr 9％，W 1.5％，V 0.20％，Ta 0.15％，Mn 0.45％，C 1.0％，其余為Fe元素。按此成分配比，在真空感應(yīng)爐內(nèi)對(duì)爐料進(jìn)行熔煉:(1)真空度0.1-10Pa充氬氣至0.005-0.08MPa，熔化溫度1450～1650℃；(2)合金加料順序，首先熔化純Fe，然后加入Cr、W，接著加入Ta、V，最后添加C、Mn，同時(shí)視純鐵中氧含量水平，在加Cr之前添加少量C進(jìn)行脫氧處理；(3)在線檢測(cè)合金元素成分并依據(jù)測(cè)試結(jié)果增補(bǔ)合金元素；(4)成分合格后在真空下澆注，澆注溫度1450～1550℃。獲得的6噸以上直徑為800mm的鑄錠
(1)坯料鍛造工藝：
1)加熱：對(duì)鑄錠進(jìn)行1180-1280℃保溫40h擴(kuò)散退火，入爐時(shí)爐溫不超過600℃，施行階梯式升溫，升溫速率不超過50℃/h，擴(kuò)散退火結(jié)束后爐冷至1150±20℃并保溫4.5h；
2)鍛造，開鍛溫度：≥1050℃；終鍛溫度：≥850℃，回爐再燒時(shí)間≥30min；
3)退火：鍛造完成后將坯料放入未加熱的退火爐緩慢冷卻至100℃以下，退火爐初始溫度不超過200℃；
4)回火：再將坯料進(jìn)行加熱760±10℃/15h回火處理，回火爐初始溫度不超過100℃，升溫速率不超過120℃/h，回火保溫結(jié)束后隨爐冷卻至400℃以下出爐空冷，獲得熱軋板材的鍛造坯料。
(2)板材熱加工：
1)熱軋：將坯料在1050-1160℃保溫100min后進(jìn)行軋制，終軋溫度≥900℃，變形量≥400％；
2)熱處理：軋制板材空冷后不做淬火處理，直接進(jìn)行740±20℃/130min回火處理，回火爐初始溫度不超過100℃，升溫速率不超過120℃/h，回火后直接出爐空冷即可獲得成品板材。
(3)對(duì)所得鋼板進(jìn)行性能測(cè)試，得到鋼板不同位置的室溫屈服強(qiáng)度Rp0.2均大于530MPa，，延伸率A均超過25％，橫向沖擊功和縱向沖擊功Akv均高于220J；在550℃，190MPa應(yīng)力條件下的持久時(shí)間均超過2000h。
實(shí)施例4：
一種聚變堆用低活化馬氏體鋼，其主要成分為Cr 8.8％，W 1.5％，V 0.20％，Ta 0.18％，Mn 0.5％，C 1.0％，其余為Fe元素。按此成分配比，在真空感應(yīng)爐內(nèi)對(duì)爐料進(jìn)行熔煉:(1)真空度0.1-10Pa充氬氣至0.005-0.08MPa，熔化溫度1450～1650℃；(2)合金加料順序，首先熔化純Fe，然后加入Cr、W，接著加入Ta、V，最后添加C、Mn，同時(shí)視純鐵中氧含量水平，在加Cr之前添加少量C進(jìn)行脫氧處理；(3)在線檢測(cè)合金元素成分并依據(jù)測(cè)試結(jié)果增補(bǔ)合金元素；(4)成分合格后在真空下澆注，澆注溫度1450～1550℃。獲得的6噸以上直徑為400mm的鑄錠。
(1)坯料鍛造工藝：
1)加熱：對(duì)鑄錠進(jìn)行1180-1280℃保溫25h擴(kuò)散退火，入爐時(shí)爐溫不超過600℃，施行階梯式升溫，升溫速率不超過50℃/h，擴(kuò)散退火結(jié)束后爐冷至1150±20℃并保溫2h；
2)鍛造，開鍛溫度：≥1050℃；終鍛溫度：≥850℃，回爐再燒時(shí)間≥30min；
3)退火：鍛造完成后將坯料放入未加熱的退火爐緩慢冷卻至100℃以下，退火爐初始溫度不超過200℃；
4)回火：再將坯料進(jìn)行加熱760±10℃/8h回火處理，回火爐初始溫度不超過100℃，升溫速率不超過120℃/h，回火保溫結(jié)束后隨爐冷卻至400℃以下出爐空冷，獲得熱軋板材的鍛造坯料。
(2)板材熱加工：
1)熱軋：將坯料在1050-1160℃保溫80min后進(jìn)行軋制，終軋溫度≥900℃，變形量≥400％；
2)熱處理：軋制板材空冷后不做淬火處理，直接進(jìn)行740±20℃/100min回火處理，回火爐初始溫度不超過100℃，升溫速率不超過120℃/h，回火后直接出爐空冷即可獲得成品板材。
(3)對(duì)所得鋼板進(jìn)行性能測(cè)試，得到鋼板不同位置的室溫屈服強(qiáng)度Rp0.2均大于550MPa，，延伸率A均超過21％，橫向沖擊功和縱向沖擊功Akv均高于220J；在550℃，190MPa應(yīng)力條件下的持久時(shí)間均超過2000h。
實(shí)施例5：
一種聚變堆用低活化馬氏體鋼，其主要成分為Cr 8.8％，W 1.5％，V 0.20％，Ta 0.18％，Mn 0.5％，C 1.0％，其余為Fe元素。按此成分配比，在真空感應(yīng)爐內(nèi)對(duì)爐料進(jìn)行熔煉:(1)真空度0.1-10Pa充氬氣至0.005-0.08MPa，熔化溫度1450～1650℃；(2)合金加料順序，首先熔化純Fe，然后加入Cr、W，接著加入Ta、V，最后添加C、Mn，同時(shí)視純鐵中氧含量水平，在加Cr之前添加少量C進(jìn)行脫氧處理；(3)在線檢測(cè)合金元素成分并依據(jù)測(cè)試結(jié)果增補(bǔ)合金元素；(4)成分合格后在真空下澆注，澆注溫度1450～1550℃。獲得的6噸以上直徑為800mm的鑄錠。
(1)坯料鍛造工藝：
1)加熱：對(duì)鑄錠進(jìn)行1180-1280℃保溫40h擴(kuò)散退火，入爐時(shí)爐溫不超過600℃，施行階梯式升溫，升溫速率不超過50℃/h，擴(kuò)散退火結(jié)束后爐冷至1150±20℃并保溫4.5h；
2)鍛造，開鍛溫度：≥1050℃；終鍛溫度：≥850℃，回爐再燒時(shí)間≥30min；
3)退火：鍛造完成后將坯料放入未加熱的退火爐緩慢冷卻至100℃以下，退火爐初始溫度不超過200℃；
4)回火：再將坯料進(jìn)行加熱760±10℃/15h回火處理，回火爐初始溫度不超過100℃，升溫速率不超過120℃/h，回火保溫結(jié)束后隨爐冷卻至400℃以下出爐空冷，獲得熱軋板材的鍛造坯料。
(2)板材熱加工：
1)熱軋：將坯料在1050-1160℃保溫100min后進(jìn)行軋制，終軋溫度≥900℃，變形量≥400％；
2)熱處理：軋制板材空冷后不做淬火處理，直接進(jìn)行740±20℃/130min回火處理，回火爐初始溫度不超過100℃，升溫速率不超過120℃/h，回火后直接出爐空冷即可獲得成品板材。
(3)對(duì)所得鋼板進(jìn)行性能測(cè)試，得到鋼板不同位置的室溫屈服強(qiáng)度Rp0.2均大于540MPa，，延伸率A均超過22％，橫向沖擊功和縱向沖擊功Akv均高于235J；在550℃，190MPa應(yīng)力條件下的持久時(shí)間均超過2000h。