Результат интеллектуальной деятельности: МАЛОАКТИВИРУЕМАЯ ЖАРОПРОЧНАЯ РАДИАЦИОННОСТОЙКАЯ СТАЛЬ

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.%:

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.