一種提高低活化鐵素體/馬氏體鋼耐鉛鉍腐蝕性能的方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及金屬防護技術，具體提供一種提高低活化鐵素體/馬氏體鋼耐鉛鉍腐 蝕性能的方法。
【背景技術】
[0002] 低活化鐵素體/馬氏體鋼由于低的熱膨脹系數(shù)、高的熱導率、優(yōu)良的抗輻照腫脹 和抗輻照脆性等優(yōu)越性能，被選作未來ADS散裂靶的候選結構材料。由于Pb-Bi合金具有 良好的中子學性能、優(yōu)良的導熱性能以及液態(tài)Pb-Bi不存在輻照損傷等優(yōu)點，Pb-Bi合金被 選作未來ADS系統(tǒng)的中子產(chǎn)生靶兼冷卻劑。由于ADS系統(tǒng)的工作環(huán)境溫度在300-700°C區(qū) 間，因此液態(tài)鉛鉍合金不可避免地將會對結構材料產(chǎn)生腐蝕，腐蝕方式主要有以下幾種：1) 材料中的組分元素在Pb-Bi合金中的溶解和質量遷移；2)組分元素與Pb-Bi合金中的雜質 氧發(fā)生化學反應；3)Pb-Bi合金沿材料晶界滲透導致的晶界脆化；4)磨蝕與氣蝕。為提高結 構材料的耐鉛鉍腐蝕性能，一般認為若能在材料表面形成一層致密均勻且穩(wěn)定的保護膜將 鉛鉍合金與結構材料相隔離，那么這將會有效地降低鉛鉍合金對結構材料的腐蝕破壞。為 此，研究人員提出以下幾種防護機制：1)結構材料的表面處理與改性；2)在Pb-Bi合金中 添加除氧劑和抑制劑；3)精確控制Pb-Bi合金中的氧含量或氧分壓。其中控制Pb-Bi合金 中的氧含量或氧分壓是現(xiàn)在的研究熱點，但如何實現(xiàn)仍是現(xiàn)在亟待解決的問題。
[0003] 本發(fā)明提出利用表面納米化與預氧化處理相結合的辦法，在材料表面形成一層 致密的保護性氧化膜，從而有效地降低鉛鉍合金對結構材料的腐蝕。表面納米化技術是最 近提出的一種材料表面改性方式，它利用表面機械碾壓處理（SMGT)等方法使金屬材料表 面發(fā)生嚴重塑性流變，從而形成一層由表及里依次為納米晶、亞微米晶和微米晶的梯度結 構。利用SMGT細化材料表面晶粒，有望使合金元素在預氧化處理時發(fā)生選擇性氧化，快速 形成具有較好綜合性能的外氧化層，從而在鉛鉍環(huán)境中起到保護結構材料的作用。

【發(fā)明內容】

[0004] 針對ADS散裂靶候選結構材料--低活化鐵素體/馬氏體鋼耐鉛鉍腐蝕性能較 差，難以在鉛鉍合金中長時間使用等問題，本發(fā)明提供了一種提高其耐鉛鉍腐蝕性能的方 法，通過表面機械碾壓處理（SMGT)及高溫預氧化相結合的工藝，在低活化鋼的納米晶表層 形成一層致密均勻的富錳、鉻氧化膜；該氧化膜均勻、致密、穩(wěn)定，從而可以有效地降低液態(tài) 鉛鉍合金對低活化鐵素體/馬氏體鋼的腐蝕，使其滿足服役條件的要求。
[0005] 為了實現(xiàn)本發(fā)明目的，設計如下技術方案：
[0006] -種提高低活化鐵素體/馬氏體鋼耐鉛鉍腐蝕性能的方法，其特征在于：通過高 溫預氧化處理具有納米晶表層的低活化鋼來提高材料的耐鉛鉍腐蝕性能。
[0007] 其中，高溫預氧化處理的處理溫度為550~650°C，時間為20~80h，介質為空氣； 低活化鐵素體/馬氏體鋼的納米晶表層可以通過表面機械碾壓處理（SMGT)的方法制備。
[0008] 本發(fā)明所述提高低活化鐵素體/馬氏體鋼耐鉛鉍腐蝕性能的方法，其特征在于： 低活化鋼在表面機械碾壓處理前的熱處理制度為：950~1050°C保溫0. 5~1. 5小時水淬， 600~800°C保溫1~2小時空冷。
[0009] 本發(fā)明所述提高低活化鐵素體/馬氏體鋼耐鉛鉍腐蝕性能的方法，其特征在于： 低活化鐵素體/馬氏體鋼表面形成的納米晶尺寸〈l〇〇nm，組織細化層>50μm。
[0010] 本發(fā)明所述提高低活化鐵素體/馬氏體鋼耐鉛鉍腐蝕性能的方法，其特征在于： 腐蝕環(huán)境為鉛鉍共晶合金（Pb-55at. %Bi)，500~600°C，飽和氧壓時，防鉛鉍腐蝕性能最 佳。
[0011] 本發(fā)明所述提高低活化鐵素體/馬氏體鋼耐鉛鉍腐蝕性能的方法，其特征在于， 具體步驟如下：
[0012] (1)、對低活化鐵素體/馬氏體鋼進行熱處理得到回火態(tài)組織，熱處理制度為 950~1050°C保溫0· 5~L5小時水淬，600~800°C保溫1~2小時空冷；
[0013] (2)、將回火態(tài)的低活化鐵素體/馬氏體鋼進行表面機械碾壓處理，在材料表面制 備晶粒尺寸〈l〇〇nm的納米晶，并且有>50μm組織細化層形成；
[0014] (3)、對具有納米晶表面的低活化鐵素體/馬氏體鋼進行預氧化處理，處理制度 為：550~650°C，保溫20~80h，介質為空氣；最終在低活化鐵素體/馬氏體鋼表面形成一 層致密均勻且較為穩(wěn)定的氧化膜，該氧化層可有效地阻擋鉛鉍合金對結構材料的腐蝕。
[0015] 本發(fā)明的原理是：
[0016] 將低活化鐵素體/馬氏體鋼經(jīng)SMGT處理后可在材料表面形成納米晶，從而極大地 提高合金元素在材料表面的擴散速度，促進了合金元素在預氧化時發(fā)生選擇性氧化，有利 于生成致密、均勻且穩(wěn)定性較好的氧化膜，該氧化層可有效地提高結構材料的耐鉛鉍腐蝕 性能。
[0017] 本發(fā)明的優(yōu)點在于：
[0018] 1、本發(fā)明所述方法有效地提高了材料的耐鉛鉍腐蝕性能，使得經(jīng)表面納米化和預 氧化處理的材料在鉛鉍合金中的腐蝕速度小于未經(jīng)上述處理的材料的腐蝕速度。
[0019] 2、本發(fā)明所述方法可以解決低活化鐵素體/馬氏體鋼耐鉛鉍腐蝕性能不理想的 問題，同時表面納米化可以提高材料的抗高溫氧化能力及力學性能等。
【附圖說明】
[0020] 圖1為9Cr2WVTa低活化馬氏體鋼熱處理后的原始粗晶形貌；
[0021 ] 圖2為9Cr2WVTa低活化馬氏體鋼經(jīng)過表面機械碾壓處理（SMGT)后截面形貌；
[0022] 圖3為經(jīng)SMGT處理后材料表面組織的透射電子顯微鏡暗場像；
[0023] 圖4為經(jīng)SMGT處理后的9Cr2WVTa鋼在600°C保溫20h后所生成氧化膜的元素分 布；
[0024] 圖5為經(jīng)納米化及預氧化處理后材料在550°C鉛鉍合金中靜置500h后的截面形 貌；
[0025] 圖6為原始粗晶材料在550°C鉛鉍合金中靜置500h后的截面形貌；
[0026] 圖7為具有納米晶表面的材料在550°C鉛鉍合金中靜置500h后的截面形貌；
[0027] 圖8為原始粗晶材料在600°C保溫20h后所生成氧化膜的元素分布；
[0028] 圖9為預氧化處理原始粗晶材料在550°C鉛鉍合金中靜置500h后的截面形貌。
【具體實施方式】
[0029] 實施例1
[0030] 以9Cr2WVTa低活化鐵素體/馬氏體鋼為研究材料來說明本發(fā)明對低活化鋼耐鉛 鉍腐蝕性能的影響，其成分如表1所示。材料在SMGT前的熱處理制度為：1050°C保溫1小 時水淬，750°C保溫2小時空冷；由圖1可知，熱處理后材料由回火馬氏體及碳化物組成，晶 粒尺寸約為15μm。將經(jīng)過熱處理后的低活化鋼進行表面機械碾壓處理，圖2為材料經(jīng)SMGT 處理后的截面形貌，從圖中可知其組織細化層約為70μm;圖3為經(jīng)SMGT處理后材料表面 組織的透射電子顯微鏡暗場像，可知在材料表面形成了晶粒尺寸小于l〇〇nm的納米晶。具 有納米晶表面的9Cr2WVTa在600°C預氧化20h后，其氧化層中的元素分布如圖4所示；由 圖可知，在納米晶表面形成了厚度約為l〇〇nm的氧化層，其中鐵、鉻、錳的原子百分比分別 為25%，9%，13%。將具有該氧化層的樣品在550°C靜態(tài)鉛鉍共晶合金且為飽和氧壓的環(huán) 境中放置500h后，其截面形貌如圖5所示，由圖可知，結構材料沒有發(fā)生明顯的氧化腐蝕， 因此通過預氧化處理具有納米晶表層的9CrWVTa低活化鋼可以顯著提高材料的耐鉛鉍腐 蝕性能。
[0031] 表1 9CrWVTa低活化鐵素體/馬氏體鋼的成分（質量百分比％ )
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