Малоактивируемая жаропрочная радиационностойкая сталь


 


Владельцы патента RU 2515716:

Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (RU)

Изобретение относится к области металлургии, а именно к малоактивируемым жаропрочным радиационно стойким сталям, используемым в ядерной энергетике, в частности, для изготовления деталей активных зон атомных реакторов на быстрых нейтронах и оборудования термоядерных реакторов. Сталь содержит, мас.%: углерод 0,16-0,25, кремний 0,30-1,30, марганец 0,50-2,00, хром 10,00-13,50, вольфрам 0,50-2,50 и/или молибден 0,60-0,90, ванадий 0,20-0,40, никель 0,50-0,80, ниобий 0,20-0,40 и/или тантал 0,01-0,30, бор 0,001-0,008, церий 0,001-0,02 и/или нитрид циркония, алюминий 0,005-0,02, железо и примеси - остальное. Сталь обладает жаропрочностью до температуры 710°C при сохранении низкого уровня наведенной радиоактивности и быстрого ее спада. 3 з.п. ф-лы, 3 табл.

 

Изобретение относится к металлургии жаропрочных сталей, используемых в ядерной энергетике, в частности, для изготовления деталей активных зон атомных реакторов на быстрых нейтронах и оборудования термоядерных реакторов.

Известна малоактивируемая радиационно стойкая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, ванадий, медь, молибден, кобальт, вольфрам, иттрий, ниобий, алюминий и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод - 0,13-0,18; кремний - 0,20-0,35; марганец - 0,30-0,60; хром - 2,0-3,5; никель - 0,01-0,05; ванадий - 0,10-0,35; медь - 0,01-0,10; молибден - 0,01-0,05; кобальт - 0,01-0,05; вольфрам -1,0-2,0; иттрий - 0,05-0,15; ниобий - 0,01-0,05; алюминий - 0,01-0,10; железо - остальное.

При этом суммарное содержание никеля, кобальта, молибдена, ниобия и меди в известной стали составляет не более 0,2 мас.%, а отношение (V+0,3W)/C изменяется в пределах от 3 до 6. Сталь отличается низким уровнем наведенной активности, но не является жаропрочной при температуре, превышающей 500°C.

(RU №2135623, МКИ 6 C22C 38/52, опубликовано 27.08.1999]

Известна малоактивируемая жаропрочная радиационно стойкая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, вольфрам, ванадий, титан, бор, церий и/или иттрий, цирконий, тантал, азот и железо при следующем соотношении, мас.%: углерод - 0,10-0,21; кремний - 0,10-0,80; марганец - 0,50-2,00; хром - 10,00-13,50; вольфрам - 0,80-2,50; ванадий - 0,05-0,40; титан - 0,03-0,30; бор - 0,001-0,008; церий и/или иттрий в сумме - 0,001-0,10; цирконий - 0,05-0,20; тантал - 0,05-0,20; азот - 0,02-0,15; железо - остальное.

При этом отношение суммарного содержания ванадия, титана, циркония и тантала к суммарному содержанию углерода и азота составляет от 2 до 9.

Однако жаропрочность этой стали 650°C недостаточна при температурах в активной зоне реакторов нового поколения 650-710°C.

(RU №2211878, C22C 38/32, опубликовано 10.09.2003)

Задачей изобретения и техническим результатом является создание стали, обладающей жаропрочностью до температуры 710°C при сохранении низкого уровня наведенной радиоактивности и быстрого ее спада.

Технический результат достигается тем, что малоактивируемая жаропрочная радиационно стойкая сталь содержит углерод, кремний, марганец, хром, вольфрам и/или молибден, ванадий, никель, ниобий и/или тантал, бор, церий и/или нитрид циркония, алюминий, железо и неизбежные примеси при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод 0,16-0,25
Кремний 0,30-1,30
Марганец 0,50-2,00
Хром 10,0-13,50
Вольфрам и (или) 0,50-2,50
Молибден 0,60-0,90
Ванадий 0,20-0,40
Никель 0,50-0,80
Ниобий и (или) 0,20-0,40
Тантал 0,01-0,30
Бор 0,001-0,008
Церий и (или) 0,001-0,020
Нитрид циркония 0,05-0,20
Алюминий 0,005-0,02
Железо и примеси остальное

Технический результат также достигается, если сталь также содержит, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы, мас.%: титан 0,03-0,30, азот 0,08-0,17, кальций 0,005-0,02, цирконий 0,05-0,20; суммарное содержание примесей легкоплавких металлов - свинца, висмута, олова, сурьмы и мышьяка, не превышает 0,05 мас.%, а содержание неизбежных примесей серы, фосфора и кислорода не превышает, мас.%: сера≤0,008; фосфор≤0,008 и кислород≤0,005.

Легирование титаном, цирконием, азотом и кальцием в составе стали обеспечивает уменьшение активируемости под действием нейтронного облучения и увеличивает скорость спада наведенной активности стали.

Ограничение содержания свинца, висмута, олова, сурьмы и мышьяка увеличивает сопротивление стали низкотемпературному радиационному охрупчиванию (НТРО) в условиях нейтронного облучения.

Высокий уровень жаропрочности обеспечивается за счет образования стабильной мартенситно-ферритной структуры с наличием упрочняющих твердый раствор элементов внедрения (С, N, В) и элементов замещения (W и (или) Mo, V, Nb и/или Ta, Cr, Ni), упрочняющих карбидных (MeC, Ме2С, Me23C6 и др.), нитридных (MeN, Me2N) и карбонитридных (MeCN) фаз, а также частиц фазы Лавеса типа Fe2(W,Mo).

Высокое сопротивление низкотемпературному радиационному охрупчиванию (НТРО) обеспечивается за счет ограниченного содержания в структуре стали δ-феррита, предпочтительного выделения в структуре стали карбидов, нитридов и карбонитридов V, Ti, Nb и/или Ta и Zr по сравнению с аналогичными соединениями хрома, дополнительное ограничение содержания в стали легкоплавких элементов (меди, свинца, висмута, олова, сурьмы и мышьяка), а также серы, фосфора и кислорода в еще большей степени способствует увеличению сопротивления стали НТРО.

Создание малоактивируемой жаропрочной радиационно стойкой стали осуществляют путем введения в структуру стали мелкодисперсных частиц нитрида циркония, равномерно распределенных в объеме стали. При этом сохраняется комплексное легирование стали элементами с быстрым спадом наведенной радиационной активности и создается определенное соотношение между γ°-стабилизирующими элементами (С, N, Mn, Ni) и α-стабилизирующими элементами (Cr, Mo, W, Nb, V, Ta, Ti, Zr, Mo, Nb и др.).

Введение в состав стали мелкодисперсных нитридов циркония позволяет образовать большое количество центров кристаллизации, равномерно распределенных в объеме металла.

В процессе затвердевания стали химически стойкие частицы нитрида циркония, находясь в расплаве, обладают повышенной устойчивостью к диссоциации и будут являться центрами кристаллизации аустенитных зерен, что существенно измельчает первичное аустенитное зерно, увеличивает площадь границ аустенитных зерен, что существенно уменьшает количество карбидов и нитридов ванадия и ниобия, выпадающих по границам аустенитных зерен, и увеличивает их дисперсность. Это обеспечивает увеличение прочностных свойств и одновременно показателей пластичности и вязкости, а также образует выделения, которые увеличивают прочность при повышенных температурах. Нитрид циркония также играет роль дополнительного зародыша фаз, выделяемых при ползучести, благодаря чему образуется более мелкодисперсное распределение фаз и повышается жаропрочность стали.

Содержанием алюминия в количестве 0,005-0,02 мас.% благоприятно изменяет форму неметаллических включений, очищает и упрочняет границы зерен, повышает их пластичность, ударную вязкость и жаропрочность, что приводит к повышению служебных и технологических свойств стали.

Выплавку стали по изобретению проводили в 150-кг индукционной печи, с разливкой металла на слитки (5 плавок), из которых после ковки изготавливались образцы для определения механических свойств и жаропрочности.

В качестве известной стали был выбран металл (сталь ЭП823 - плавка 6) промышленного способа производства, термически обработанный по типовому режиму: нормализация от 1050°C, отпуск при 720°C в течение 3 ч.(Табл.1).

Испытания на растяжение проводили на цилиндрических образцах пятикратной длины с диаметром расчетной части 6 мм в соответствии с ГОСТ 1497-84 при комнатной температуре и по ГОСТ 9651-84 при повышенных температурах (табл.2). В качестве критерия жаропрочности использовались испытания на длительную прочность, которые проводились по ГОСТ 10145-62 (табл.3).

В таблице 2 приведены механические свойства сталей в зависимости от температуры испытаний, полученные после термообработки: нормализация от 1050°C, отпуск при температуре 730°C, охлаждение на воздухе.

Результаты испытаний на длительную прочность (табл.3) показали, что предлагаемая сталь является более жаропрочной при 650 и 710°C, чем сталь-прототип.

Так как основы заявляемой стали и стали-прототипа близки, то полученные ранее данные расчета кинетики спада наведенной активности (мощности дозы - излучения) в сталях после предполагаемого облучения в термоядерном реакторе ДЕМО в течение 10 лет и последующей выдержки до 500 лет свидетельствуют о сохранении заявляемой сталью низкой наведенной активности стали-прототипа (в особенности для составов стали, где вместо молибдена введен вольфрам, а вместо ниобия введен тантал, а также цирконий и титан, эти элементы, являясь малоактивируемыми, не увеличивают наведенную активность заявляемой стали), особенно заметной после выдержки свыше 10 лет. После выдержки в течение 50 лет с заявляемой сталью можно работать без специальной защиты и отправлять ее на переплав для повторного использования.

Таким образом, предложенная сталь может быть использована в ядерной энергетике для изготовления элементов активных зон атомных реакторов, например оболочек твэлов реакторов на быстрых нейтронах типа БН. Использование стали обеспечит высокий народно-хозяйственный эффект за счет повышения свойств жаропрочности и сопротивления низкотемпературному радиационному охрупчиванию.

Предлагаемая сталь прошла широкие лабораторные опробования в ОАО НПО «ЦНИИТМАШ» и рекомендована к промышленному опробованию.

Таблица 1
Химический состав предлагаемой и известной стали
Содержание компонентов, мас.% Номер плавки
1 2 3 4 5 6
Углерод 0,16 0,20 0,25 0,18 0,20 0,16
Кремний 0,30 1,10 1,00 1,20 0,40 1,18
Марганец 0,50 1,20 2,00 2,00 0,80 0,60
Хром 10,00 12,50 13,50 13,00 12,00 10,90
Никель 0,50 0,70 0,50 0,50 0,80 0,80
Молибден 0,60 0,90 - 0,85 0,90 0,76
Вольфрам 0,50 1,80 2,00 1,50 - 0,69
Ниобий 0,20 0,25 - 0.40 0,30 0,33
Тантал - 0,01 0,15 0,10 0,25 -
Ванадий 0,20 0,25 0,10 0,35 0,25 0,30
Бор 0,001 0,003 0,007 0,006 0,008 0,006
Кальций 0,005 0,005 0,01 0,020 0,02 -
Церий 0,001 0,015 0,005 0,020 0,02 0,10
Алюминий 0,005 0,015 0,008 0,008 0,02 0,02
Нитрид циркония - 0,20 0,10 0,015 0,40 -
Титан - 0,035 0,03 - - -
Азот - 0,08 0,15 - 0,17 0,04
Сера 0,008 0,006 0,008 0,008 0,008 0,008
Фосфор 0,008 0,015 0,009 0,008 0,009 0,01
кислород 0,006 0,004 0,005 0,003 0,005 0,006
∑Pb ,Bi, Sb, As, Sn 0,004 0,003 0,004 0,005 0,006 0,006
Железо Остальное Остальное Остальное Остальное Остальное Остальное
Таблица 2
Механические свойства предлагаемой и известной сталей
Состав стали T исп., °C σ0,2, Н/мм2 σ b, Н/мм2 δ, %
1 20 850 950 15
650 500 550 20
710 360 380 25
2 20 870 970 14
650 510 560 20
710 365 395 24
3 20 865 1150 15
650 520 570 20
710 350 375 25
4 20 850 950 15
650 500 550 20
710 360 380 25
5 20 870 970 14
650 510 560 20
710 365 395 24
Известная 20 700 820 16
650 320 420 18
710 280 295 25
Таблица 3
Пределы длительной прочности стали в зависимости от температуры испытания
Состав стали T исп., °C Длительная прочность, Н/мм2, за время 105 ч
1 650 120
710 105
2 650 123
710 104
3 650 135
710 110
4 650 130
710 123
5 650 125
710 105
6 650 108
710 85

1. Малоактивируемая жаропрочная радиационно стойкая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, вольфрам и/или молибден, ванадий, никель, ниобий и/или тантал, бор, церий и/или нитрид циркония, алюминий, железо и неизбежные примеси, отличающаяся тем, что она содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:

углерод 0,16-0,25
кремний 0,30-1,30
марганец 0,50-2,00
хром 10,0-13,50
вольфрам и/или 0,50-2,50
молибден 0,60-0,90
ванадий 0,20-0,40
никель 0,50-0,80
ниобий и/или 0,20-0,40
тантал 0,01-0,30
бор 0,001-0,008
церий и/или 0,001-0,020
нитрид циркония 0,05-0,20
алюминий 0,005-0,02
железо и примеси остальное

2. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что она содержит по крайней мере один элемент, выбранный из группы, мас.%: титан 0,03-0,30, азот 0,08-0,17, кальций 0,005-0,02 и цирконий 0,05-0,20.

3. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что суммарное содержание примесей легкоплавких металлов - свинца, висмута, олова, сурьмы и мышьяка - не превышает 0,05 мас.%.

4. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что содержание примесей - серы, фосфора и кислорода - не превышает, мас.%: сера ≤0,008, фосфор ≤0,008 и кислород ≤0,005.



 

Похожие патенты:

Сталь // 2514901
Изобретение относится к области металлургии, а именно к сталям для изготовления литых высоконагруженных деталей, подвергающимся ударным нагрузкам с трением в условиях кавитационного и коррозионного износа.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к высокопрочным конструкционным сталям, закаливающимся преимущественно на воздухе, используемым для изготовления осесимметричных корпусных деталей.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к гальванизированной листовой стали с пределом прочности на растяжение 770 МПа или более, применяемой в автомобилестроении и строительстве и состоящей из участка листовой стали, слоя покрытия, образованного на поверхности участка листовой стали, мягкого слоя, непосредственно прилегающего к границе раздела со слоем покрытия, и внутреннего слоя, отличающегося от мягкого слоя.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к высокопрочным низкоуглеродистым мартенситным свариваемым сталям, закаливающимся на воздухе, используемым для изготовления термически упрочненных сварных конструкций, крупногабаритных изделий, а также строительных конструкций и деталей нефтяного машиностроения.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к аустенитной нержавеющей стали, используемой для изготовления труб. Сталь содержит в мас.%: Cr: от 15,0 до 23,0% и Ni: от 6,0 до 20,0%, а ее поверхность покрыта обработанным слоем с высокой плотностью энергии, в котором микроструктура и граница кристаллического зерна не различимы.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к коррозионно-стойким аустенитным сталям с повышенным содержанием кремния для использования в ядерной энергетике при изготовлении теплообменного оборудования, работающего при высокой температуре в контакте с пароводяной средой и тяжелым свинцовым жидкометаллическим теплоносителем, в частности, для изготовления теплообменных тонкостенных труб, работающих при 550°С.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению закаленной мартенситной стали, используемой для изготовления различных конструкционных и приводных деталей.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к стали, используемой для изготовления деталей режущих инструментов. Сталь содержит, в мас.%: от 0,28 до 0,5 С, от 0,10 до 1,5 Si, от 1,0 до 2,0 Mn, максимум 0,2 S, от 1,5 до 4 Cr, от 3,0 до 5 Ni, от 0,7 до 1,0 Mo, от 0,6 до 1,0 V, от следовых количеств до общего максимального содержания 0,4% мас.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к низкоуглеродистым сталям для производства проката, используемого для изготовления сварных нефте- и газопроводов, пригодных к эксплуатации в условиях Крайнего Севера.

Изобретение относится к области металлургии, в частности получению стального компонента с металлическим покрытием, который используют в качестве материала для кузовов транспортных средств.
Изобретение относится к металлургии, а именно к составу стали, используемой при производстве арматурного периодического профиля для железобетонных конструкций. Сталь содержит, в мас.%: углерод 0,20-0,29, марганец 1,20-1,60, кремний 0,60-0,90, фосфор не более 0,040, сера не более 0,010, хром 0,01-0,25, никель не более 0,30, медь не более 0,30, бор 0,001-0,005, азот не более 0,008, железо остальное.
Сталь // 2502822
Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству сталей, используемых в машиностроении. Сталь содержит, мас.%: углерод 0,2-0,25, кремний 0,2-0,25, марганец 0,2-0,25, никель 13,0-15,0, хром 0,2-0,25, молибден 0,2-0,25, медь 1,3-1,7, кобальт 0,5-0,7, цирконий 0,2-0,25, бор 0,05-0,1, алюминий 0,2-0,25, ниобий 1,3-1,7, вольфрам 0,1-0,15, железо остальное.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к коррозионно-стойким аустенитным сталям с повышенным содержанием кремния для использования в ядерной энергетике при изготовлении теплообменного оборудования, работающего при высокой температуре в контакте с пароводяной средой и тяжелым свинцовым жидкометаллическим теплоносителем, в частности, для изготовления теплообменных тонкостенных труб, работающих при 550°С.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению закаленной мартенситной стали, используемой для изготовления различных конструкционных и приводных деталей.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к конструкционным высокопрочным сталям повышенной износостойкости, используемым при производстве сварных кузовов большегрузных автомобилей, работающих в условиях Крайнего Севера.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к сплавам на основе железа, используемым для изготовления броневых элементов. .
Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при производстве подката из высокоуглеродистой стали для изготовления холоднодеформированного арматурного периодического профиля.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к инструментальным сплавам высокой теплостойкости, используемым для изготовления литых и кованых штампов горячего деформирования.
Сталь // 2478134
Изобретение относится к области металлургии, а именно к составам сталей, используемых в машиностроении. .
Изобретение относится к области металлургии, а именно к коррозионно-стойкой легированной нейтронно-поглощающей стали, используемой в атомном энергомашиностроении в качестве материала чехловых труб - поглотителей нейтронов в средствах транспортировки и уплотненного хранения отработанного ядерного топлива в бассейнах выдержки. Сталь содержит, в мас.%: углерод 0,02-0,05, кремний 0,10-0,80, марганец 0,10-0,50, хром 13,0-16,0, бор 2,01-3,5, ванадий 0,15-035, церий 0,03-0,07, алюминий 0,15-0,80, титан 4,02-8,50, никель 0,05-0,50, сера 0,005-0,02, фосфор 0,005-0,03, свинец - не более 0,005, висмут - не более 0,005, железо - остальное. Обеспечивается повышенная технологическая пластичность при температурах горячей деформации, снижается склонность к межкристаллитной коррозии и коррозионному растрескиванию под напряжением.
Наверх