工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 一种铅基快堆用高硅不锈钢的热处理工艺优化及铅铋相容性研究 赵熹陈映雪曾献龚星张勇殷振国燕青芝 Heat-treatment optimization and heavy liquid metal compatibility of Si-enriched F/M steel for LFR structure application ZHAO Xi,CHEN Ying-xue,ZENG Xian,GONG Xing.ZHANG Yong,YIN Zhen-guo,YAN Qing-zhi 引用本文： 赵熹，陈映雪，曾献，龚星，张勇，殷振国，燕青芝.一种铅基快堆用高硅不锈钢的热处理工艺优化及铅铋相容性研究.工程 科学学报，2020,42(11)：1488-1498.doi10.13374.issn2095-9389.2019.11.19.002 ZHAO Xi,CHEN Ying-xue,ZENG Xian,GONG Xing.ZHANG Yong,YIN Zhen-guo,YAN Qing-zhi.Heat-treatment optimization and heavy liquid metal compatibility of Si-enriched F/M steel for LFR structure application[].Chinese Journal of Engineering,2020, 42(11):1488-1498.doi:10.13374/1.issn2095-9389.2019.11.19.002 在线阅读View online:https::/doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.11.19.002 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 热处理对四代核电用镍基合金薄壁管组织与性能的影响 Effect of heat treatment on the microstructure and properties of nickel-based superalloy thin-wall pipe for the fourth-generation nuclear reactor 工程科学学报.2018.405)：571htps:/doi.org10.13374.issn2095-9389.2018.05.007 中锰钢的研究进展与前景 Research progress and prospect of medium manganese steel 工程科学学报.2019,41（⑤：557htps:/doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.05.002 A1对淬回火H11钢力学性能和碳化物的影响 Influence of Al on mechanical properties and carbides of quenched and tempered H11 steel 工程科学学报.2018,40(2：208htps:/doi.org10.13374.issn2095-9389.2018.02.011 钼钨钒合金化热作模具钢高温回火组织演变 Microstructural evolution of MoWV alloyed hot-work die steel during high-temperature tempering 工程科学学报.2020,42(7)：902 https:1doi.org10.13374j.issn2095-9389.2019.06.04.003 外加拉应力对13C马氏体不锈钢的腐蚀行为影响 Effect of tensile stress on corrosion behavior of 13Cr martensitic stainless steel 工程科学学报.2019,41(5：618 https:/doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.05.008 压水堆一回路主管道316L不锈钢的电化学腐蚀行为 Electrochemical corrosion behaviors of 316L stainless steel used in PWR primary pipes 工程科学学报.2017,399：1355 https:/doi.org/10.13374.issn2095-9389.2017.09.008
一种铅基快堆用高硅不锈钢的热处理工艺优化及铅铋相容性研究 赵熹 陈映雪 曾献 龚星 张勇 殷振国 燕青芝 Heat-treatment optimization and heavy liquid metal compatibility of Si-enriched F/M steel for LFR structure application ZHAO Xi, CHEN Ying-xue, ZENG Xian, GONG Xing, ZHANG Yong, YIN Zhen-guo, YAN Qing-zhi 引用本文: 赵熹, 陈映雪, 曾献, 龚星, 张勇, 殷振国, 燕青芝. 一种铅基快堆用高硅不锈钢的热处理工艺优化及铅铋相容性研究[J]. 工程 科学学报, 2020, 42(11): 1488-1498. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.11.19.002 ZHAO Xi, CHEN Ying-xue, ZENG Xian, GONG Xing, ZHANG Yong, YIN Zhen-guo, YAN Qing-zhi. Heat-treatment optimization and heavy liquid metal compatibility of Si-enriched F/M steel for LFR structure application[J]. Chinese Journal of Engineering, 2020, 42(11): 1488-1498. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.11.19.002 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.11.19.002 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 热处理对四代核电用镍基合金薄壁管组织与性能的影响 Effect of heat treatment on the microstructure and properties of nickel-based superalloy thin-wall pipe for the fourth-generation nuclear reactor 工程科学学报. 2018, 40(5): 571 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.05.007 中锰钢的研究进展与前景 Research progress and prospect of medium manganese steel 工程科学学报. 2019, 41(5): 557 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.05.002 Al对淬回火H11钢力学性能和碳化物的影响 Influence of Al on mechanical properties and carbides of quenched and tempered H11 steel 工程科学学报. 2018, 40(2): 208 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.02.011 钼钨钒合金化热作模具钢高温回火组织演变 Microstructural evolution of MoWV alloyed hot-work die steel during high-temperature tempering 工程科学学报. 2020, 42(7): 902 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.04.003 外加拉应力对13Cr马氏体不锈钢的腐蚀行为影响 Effect of tensile stress on corrosion behavior of 13Cr martensitic stainless steel 工程科学学报. 2019, 41(5): 618 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.05.008 压水堆一回路主管道316L不锈钢的电化学腐蚀行为 Electrochemical corrosion behaviors of 316L stainless steel used in PWR primary pipes 工程科学学报. 2017, 39(9): 1355 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.09.008
工程科学学报.第42卷.第11期：1488-1498.2020年11月 Chinese Journal of Engineering,Vol.42,No.11:1488-1498,November 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.11.19.002;http://cje.ustb.edu.cn 一种铅基快堆用高硅不锈钢的热处理工艺优化及铅铋 相容性研究 赵 熹，陈映雪2)，曾献2)，龚星)，张勇14四，般振国)，燕青芝) 1)中广核研究院有限公司，深圳5180312)北京科技大学材料科学与工程学院.北京1000833)深圳大学物理与光电工程学院，深圳 5180604)中国科学技术大学物理学院，合肥230026 区通信作者，E-mail:zhangyong_rfc@cgpc.com.cn 摘要针对自行制备的11C-1Si铁素体/马氏体不锈钢开展了热处理制度探索，及力学性能、铅铋环境静态腐蚀和应力腐 蚀行为研究.热处理研究结果表明，11Cr-1Si不锈钢在经过调质热处理后(950℃/60min+750℃/120min)能够在保证较高强 度的同时获得良好的韧性.500℃静态腐蚀结果表明，11Cr-1Si在经过3368h腐蚀后表面形成的氧化膜致密且连续.没有出 现开裂和脱落，并且整体氧化速率较缓慢，没有观察到铅铋向材料基体内的渗透，表现出良好的抗腐蚀性能.应力腐蚀实验 发现.11Cr-1Si不锈钢在350℃和400℃下存在本征脆化，但是在450℃下没有观察到铅铋致脆现象. 关键词铅基快堆：铁素体/马氏体不锈钢；热处理：铅铋腐蚀：液态金属致脆 分类号TG142.7 Heat-treatment optimization and heavy liquid metal compatibility of Si-enriched F/M steel for LFR structure application ZHAOXi,CHEN Ying-xue,ZENG Xian 2),GONG Xing,ZHANG Yong,YIN Zhen-guo,YAN Qing-zhi 1)China Nuclear Power Technology Research Institute,Shenzhen 518031,China 2)School of Materials Science and Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 3)College of Physics and Optoelectronic Engineering,Shenzhen University,Shenzhen 518060,China 4)School of Physical Sciences,University of Science and Technology of China,Hefei 230026,China Corresponding author,E-mail:zhangyong_rfc@cgnpc.com.cn ABSTRACT The lead-cooled fast reactor(LFR)is one of six reactor concepts selected in the Generation IV Technology Roadmap and is perhaps the first to be applied commercially.Because the heavy liquid metal coolant has a severe corrosion effect on the core structure, the compatibility of the heavy liquid metal coolant and structural materials is recognized as a key limitation in the design and application of the LFR.Corrosion by heavy liquid metals such as liquid lead or lead-bismuth eutectic (LBE)is a physical or physical-chemical process involving surface oxidation,dissolution of material constituents,erosion corrosion,and fretting corrosion.Corrosion by heavy liquid metal can change the microstructure,composition,and surface morphology of structural materials,which will affect their mechanical and physical properties and lead to system failure.Currently,LFR research institutes are devoting great effort to the research and development of structural materials with good high-temperature mechanical properties and excellent corrosion and irradiation resistances.In this study,a series of experiments and analyses were performed on self-developed 11Cr-1Si ferritic/martensitic(F/M) steel,including heat treatment tests,mechanical tests,corrosion tests in static lead-bismuth eutectic (LBE),and slow strain-rate tests 收稿日期：2019-11-19 基金项目：国家自然科学基金大科学装置科学研究联合基金资助项目(U1932166)
一种铅基快堆用高硅不锈钢的热处理工艺优化及铅铋 相容性研究 赵 熹1)，陈映雪2)，曾 献1,2)，龚 星3)，张 勇1,4) 苣，殷振国1)，燕青芝2) 1) 中广核研究院有限公司，深圳 518031 2) 北京科技大学材料科学与工程学院，北京 100083 3) 深圳大学物理与光电工程学院，深圳 518060 4) 中国科学技术大学物理学院，合肥 230026 苣通信作者，E-mail：zhangyong_rfc@cgnpc.com.cn 摘 要 针对自行制备的 11Cr−1Si 铁素体/马氏体不锈钢开展了热处理制度探索，及力学性能、铅铋环境静态腐蚀和应力腐 蚀行为研究. 热处理研究结果表明，11Cr−1Si 不锈钢在经过调质热处理后（950 ℃/60 min+750 ℃/120 min）能够在保证较高强 度的同时获得良好的韧性. 500 ℃ 静态腐蚀结果表明，11Cr−1Si 在经过 3368 h 腐蚀后表面形成的氧化膜致密且连续，没有出 现开裂和脱落，并且整体氧化速率较缓慢，没有观察到铅铋向材料基体内的渗透，表现出良好的抗腐蚀性能. 应力腐蚀实验 发现，11Cr−1Si 不锈钢在 350 ℃ 和 400 ℃ 下存在本征脆化，但是在 450 ℃ 下没有观察到铅铋致脆现象. 关键词 铅基快堆；铁素体/马氏体不锈钢；热处理；铅铋腐蚀；液态金属致脆 分类号 TG142.7 Heat-treatment optimization and heavy liquid metal compatibility of Si-enriched F/M steel for LFR structure application ZHAO Xi1) ，CHEN Ying-xue2) ，ZENG Xian1,2) ，GONG Xing3) ，ZHANG Yong1,4) 苣 ，YIN Zhen-guo1) ，YAN Qing-zhi2) 1) China Nuclear Power Technology Research Institute, Shenzhen 518031, China 2) School of Materials Science and Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 3) College of Physics and Optoelectronic Engineering, Shenzhen University, Shenzhen 518060, China 4) School of Physical Sciences, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China 苣 Corresponding author, E-mail: zhangyong_rfc@cgnpc.com.cn ABSTRACT The lead-cooled fast reactor (LFR) is one of six reactor concepts selected in the Generation IV Technology Roadmap and is perhaps the first to be applied commercially. Because the heavy liquid metal coolant has a severe corrosion effect on the core structure, the compatibility of the heavy liquid metal coolant and structural materials is recognized as a key limitation in the design and application of the LFR. Corrosion by heavy liquid metals such as liquid lead or lead –bismuth eutectic (LBE) is a physical or physical –chemical process involving surface oxidation, dissolution of material constituents, erosion corrosion, and fretting corrosion. Corrosion by heavy liquid metal can change the microstructure, composition, and surface morphology of structural materials, which will affect their mechanical and physical properties and lead to system failure. Currently, LFR research institutes are devoting great effort to the research and development of structural materials with good high-temperature mechanical properties and excellent corrosion and irradiation resistances. In this study, a series of experiments and analyses were performed on self-developed 11Cr−1Si ferritic/martensitic (F/M) steel, including heat treatment tests, mechanical tests, corrosion tests in static lead-bismuth eutectic (LBE), and slow strain-rate tests 收稿日期: 2019−11−19 基金项目: 国家自然科学基金大科学装置科学研究联合基金资助项目（U1932166） 工程科学学报，第 42 卷，第 11 期：1488−1498，2020 年 11 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 42, No. 11: 1488−1498, November 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.11.19.002; http://cje.ustb.edu.cn
赵熹等：一种铅基快堆用高硅不锈钢的热处理工艺优化及铅铋相容性研究 ·1489 (SSRT)in LBE.The heat treatment results show that 11Cr-1Si steel obtains a good combination of high strength and toughness after quenching at 950 C and tempering at 750 C.11Cr-1Si steel was found to have good LBE corrosion resistance after exposure in static LBE for 3368 h,with a sufficiently low oxidation rate and a continuous and compact surface oxide layer,which protect the base metal of 11Cr-1Si from LBE penetration.The SSRT results show that the ductility of 11Cr-1Si in contact with LBE is sensitive to temperature, with loss of ductility observed at350℃and400℃，but not at450℃. KEY WORDS LFR:ferritic/martensitic steel;heat treatment;LBE corrosion;liquid metal embrittlement 铅基快堆(Lead-cooled fast reactor,,LFR)是第 种具有良好耐腐蚀性能和高温力学性能的铅基快 四代核能系统六种堆型之一，有望率先达到工业 堆包壳结构材料11Cr-1Si铁素体/马氏体不锈钢 示范阶段川.LFR堆芯结构特别是燃料包壳面临苛 本文将对11Cr-1Si不锈钢的热处理组织、力学性 刻的服役环境，高温、高辐照损伤、高流速液态重 能和铅铋相容性进行研究 金属腐蚀等因素的综合作用会导致材料在服役过 程中遭到严重的损伤破坏，从而对快堆系统的安 1材料制备及研究方法 全稳定运行造成严重影响.因此，研究适用于铅 1.1成分设计 基快堆的堆芯结构材料成为国际上LFR项目相关 液态重金属环境中结构材料腐蚀过程为包含 的各核能研究机构重点攻关的研究方向之一 合金元素溶解、表面氧化、侵蚀和磨蚀等表现形 目前铅基快堆结构材料选型主要针对以下三 式的物理或物理化学过程.有研究表明，在含氧环 个方向：以316L、15-15Ti为代表的奥氏体不锈 境中Sⅰ元素能够与氧结合形成致密的连续氧化 钢、以T91、EP823为代表的铁素体/马氏体不锈钢 膜，将结构材料与冷却剂隔离，降低材料氧化速 和基于传统不锈钢研制的氧化物弥散强化不锈钢 率，抑制基体合金元素向液态重金属中溶解，大幅 (Oxide dispersion strengthened steel,ODS)1351. 提升钢的抗腐蚀能力)但是Sⅰ元素是铁素体形 体不锈钢具有良好的抗腐蚀性能、高温力学性能 成元素，大量添加会导致合金强度下降，脆性和焊 和可加工性能，此前已被广泛应用于石油、化工和 接热裂倾向增加，并且在辐照后可能析出含Si的 核电领域.但是由于含有较高比例的Ni元素，在 有害相，因此一般需要控制Si元素的质量分数不 超过550℃的液态重金属环境内会发生严重的溶 超过2% 解腐蚀(N元素在高温液态重金属中具有很高的 根据此前的研究结果，912 Cr CNS系列不锈 溶解度)，并且抗辐照肿胀性能较差.铁素体/马氏 钢在液态铅铋中存在氧化速率较快，表面氧化膜 体不锈钢具有优良的抗辐照性能，并且合金组分 强度和结合力较低等问题本文采用的11Cr-1Si 中Ni元素含量较少，因此相比奥氏体不锈钢具有 不锈钢是在9/12 Cr CNS不锈钢的基础上优化成分 更好的抗严重溶解腐蚀的特性，但是存在高温强 后通过真空熔炼制备而成.成分设计主要包括提 度偏低、液态金属致脆和辐照导致的韧脆转变温 升了Si元素含量，同时适当调整了Cr、Ni、Mo、W、 度(DBTT)上升等问题.在铁素体/马氏体不锈钢 Mn等合金元素比例，在提升抗腐蚀性能的同时希 基础上采用粉末冶金工艺开发的ODS钢，具有优 望保持良好的力学性能和抗辐照性能，具体合金 良的高温蠕变强度和抗辐照肿胀性能，但目前还 元素对照如表1所示 处于早期研发阶段，制备工艺复杂、成本高昂且仍 然存在铁素体/马氏体不锈钢的一些缺陷问题，距 表19/12 Cr CNS和11Cr-1Si不锈钢主要合金元素对照 离实际应用还有一段距离.针对未来铅基快堆 Table 1 Chemical composition of 9/12Cr CNS and 11Cr-1Si steels 600℃以上的堆芯环境，总体来讲铁素体/马氏体 Chemical composition(mass fraction)/% 不锈钢及其ODS钢具有更大的研发潜力，通过调 Material Fe Cr Ni Mo W Mn V Si Ti 整合金成分组成和制备工艺，能够提升其高温强 11Cr-1 Si Bal.10.870.690.730.610.810.300.910.07 度及与液态重金属的相容性，满足铅基快堆堆芯 9Cr CNS Bal.9.5500.481.210.60.260.050.05 结构材料性能需求 12 Cr CNS Bal.12.001.01.11.0020.150.03 中广核研究院联合北京科技大学，在北京科 技大学9/12 Cr CNS系列铁素体/马氏体不锈钢的 11Cr-1Si钢采用真空感应熔炼铸造工艺制 基础上，通过成分优化与制备工艺改进，制备出一 备，具体工艺流程为：(1)将工业纯铁加入坩埚，抽
(SSRT) in LBE. The heat treatment results show that 11Cr−1Si steel obtains a good combination of high strength and toughness after quenching at 950 ℃ and tempering at 750 ℃. 11Cr−1Si steel was found to have good LBE corrosion resistance after exposure in static LBE for 3368 h, with a sufficiently low oxidation rate and a continuous and compact surface oxide layer, which protect the base metal of 11Cr−1Si from LBE penetration. The SSRT results show that the ductility of 11Cr−1Si in contact with LBE is sensitive to temperature, with loss of ductility observed at 350 ℃ and 400 ℃, but not at 450 ℃. KEY WORDS LFR；ferritic/martensitic steel；heat treatment；LBE corrosion；liquid metal embrittlement 铅基快堆（Lead-cooled fast reactor, LFR）是第 四代核能系统六种堆型之一，有望率先达到工业 示范阶段[1] . LFR 堆芯结构特别是燃料包壳面临苛 刻的服役环境，高温、高辐照损伤、高流速液态重 金属腐蚀等因素的综合作用会导致材料在服役过 程中遭到严重的损伤破坏，从而对快堆系统的安 全稳定运行造成严重影响[2] . 因此，研究适用于铅 基快堆的堆芯结构材料成为国际上 LFR 项目相关 的各核能研究机构重点攻关的研究方向之一. 目前铅基快堆结构材料选型主要针对以下三 个方向：以 316L、 15−15Ti 为代表的奥氏体不锈 钢、以 T91、EP823 为代表的铁素体/马氏体不锈钢 和基于传统不锈钢研制的氧化物弥散强化不锈钢 （Oxide dispersion strengthened steel, ODS） [3−5] . 奥氏 体不锈钢具有良好的抗腐蚀性能、高温力学性能 和可加工性能，此前已被广泛应用于石油、化工和 核电领域[6] . 但是由于含有较高比例的 Ni 元素，在 超过 550 ℃ 的液态重金属环境内会发生严重的溶 解腐蚀（Ni 元素在高温液态重金属中具有很高的 溶解度），并且抗辐照肿胀性能较差. 铁素体/马氏 体不锈钢具有优良的抗辐照性能，并且合金组分 中 Ni 元素含量较少，因此相比奥氏体不锈钢具有 更好的抗严重溶解腐蚀的特性，但是存在高温强 度偏低、液态金属致脆和辐照导致的韧脆转变温 度（DBTT）上升等问题. 在铁素体/马氏体不锈钢 基础上采用粉末冶金工艺开发的 ODS 钢，具有优 良的高温蠕变强度和抗辐照肿胀性能，但目前还 处于早期研发阶段，制备工艺复杂、成本高昂且仍 然存在铁素体/马氏体不锈钢的一些缺陷问题，距 离实际应用还有一段距离. 针对未来铅基快堆 600 ℃ 以上的堆芯环境，总体来讲铁素体/马氏体 不锈钢及其 ODS 钢具有更大的研发潜力，通过调 整合金成分组成和制备工艺，能够提升其高温强 度及与液态重金属的相容性，满足铅基快堆堆芯 结构材料性能需求. 中广核研究院联合北京科技大学，在北京科 技大学 9/12Cr CNS 系列铁素体/马氏体不锈钢的 基础上，通过成分优化与制备工艺改进，制备出一 种具有良好耐腐蚀性能和高温力学性能的铅基快 堆包壳结构材料 11Cr−1Si 铁素体/马氏体不锈钢. 本文将对 11Cr−1Si 不锈钢的热处理组织、力学性 能和铅铋相容性进行研究. 1 材料制备及研究方法 1.1 成分设计 液态重金属环境中结构材料腐蚀过程为包含 合金元素溶解、表面氧化、侵蚀和磨蚀等表现形 式的物理或物理化学过程. 有研究表明，在含氧环 境中 Si 元素能够与氧结合形成致密的连续氧化 膜，将结构材料与冷却剂隔离，降低材料氧化速 率，抑制基体合金元素向液态重金属中溶解，大幅 提升钢的抗腐蚀能力[7] . 但是 Si 元素是铁素体形 成元素，大量添加会导致合金强度下降，脆性和焊 接热裂倾向增加，并且在辐照后可能析出含 Si 的 有害相，因此一般需要控制 Si 元素的质量分数不 超过 2%. 根据此前的研究结果，9/12Cr CNS 系列不锈 钢在液态铅铋中存在氧化速率较快，表面氧化膜 强度和结合力较低等问题[8] . 本文采用的 11Cr−1Si 不锈钢是在 9/12Cr CNS 不锈钢的基础上优化成分 后通过真空熔炼制备而成. 成分设计主要包括提 升了 Si 元素含量，同时适当调整了 Cr、Ni、Mo、W、 Mn 等合金元素比例，在提升抗腐蚀性能的同时希 望保持良好的力学性能和抗辐照性能，具体合金 元素对照如表 1 所示. 11Cr−1Si 钢采用真空感应熔炼铸造工艺制 备，具体工艺流程为：（1）将工业纯铁加入坩埚，抽 表 1 9/12Cr CNS 和 11Cr−1Si 不锈钢主要合金元素对照 Table 1 Chemical composition of 9/12Cr CNS and 11Cr−1Si steels Material Chemical composition (mass fraction) /% Fe Cr Ni Mo W Mn V Si Ti 11Cr−1Si Bal. 10.87 0.69 0.73 0.61 0.81 0.30 0.91 0.07 9Cr CNS Bal. 9.55 0 0.48 1.21 0.6 0.26 0.05 0.05 12Cr CNS Bal. 12.0 0 1.0 1.1 1.0 0.2 0.15 0.03 赵 熹等： 一种铅基快堆用高硅不锈钢的热处理工艺优化及铅铋相容性研究 · 1489 ·
·1490 工程科学学报，第42卷，第11期 真空至5~40Pa时开始精炼，熔炼温度在铁熔点 下对板材样品进行保温1h后淬火，随后分别在 之上100~200℃；(2)熔炼过程中使用A1作脱氧 700、750和800℃下进行2h保温回火，以获得良 剂，控制氧质量浓度到42.86~285.71mgm3之后 好的强韧性匹配，热处理工艺过程如图2所示.拉 加入其它合金化元素：(3)合金化结束后将钢液快 伸实验采用标距段直径6mm、长110mm的标准 速浇入铸模，浇铸温度根据钢液的流动状态决定； 拉伸样品，拉伸速率设定为5×10s,试验温度覆 (4)对获得的铸锭进行热锻，随后采用控轧控冷工 盖室温到650℃.夏比冲击试验采用尺寸为5mm× 艺进行热轧，温度区间为1100~900℃，轧后采用 10mm×55mm的带45°夹角V型缺口的标准冲击 在线喷雾冷却，最终获得15mm厚的板材.图1为 样品，缺口深度以及底部曲率半径分别为2mm和 轧制板材的金相组织，可以发现板材基本组织均 0.25mm,试验温度为室温 匀性良好，轧态组织为马氏体+铁素体双相结构， Austenitization 在晶界和晶内弥散分布有少量的碳化物和氨化 1I00℃，1h 物，没有观察到析出相有明显的团聚和偏析 1050℃，1h i000℃，1h 950℃，1h Oil quenching 900℃，1h Tempering 800℃，2h 750℃，2h 700℃，2h Air cooling Time 图211Cr-1Si不锈钢热处理工艺过程 Fig.2 Schematic of heat treatment procedure for 11Cr-1Si steel WD-21 1.3与铅铋相容性实验 图111Cr1Si不锈钢轧态扫描电镜形貌 为了研究11Cr-1Si不锈钢与液态铅铋的相容 Fig.1 SEM image of 11Cr-1Si steel after hot rolling 性，分别开展了不锈钢在铅铋中的静态腐蚀实验 12材料的热处理 和应力腐蚀实验.静态腐蚀实验在自主搭建的铅 本文针对制备的11Cr-1Si不锈钢板材开展了 铋腐蚀装置（图3(a))中进行，该装置最高运行温 不同温度的热处理试验，并对经过热处理的板材 度可达550℃，具备氧浓度测量及控制条件.腐蚀 开展了拉伸试验和夏比冲击试验.具体热处理条 实验在500℃、饱和氧状态的液态铅铋合金中进 件为在900、950、1000、1050和1100℃五种温度 行，腐蚀时间分别为1000、2000和3368h.静态腐 (a) (b) Power controller Gas loop Actuatof Control panel Test tank Data acquisition rage tank 图3液态铅铋环境腐蚀装置.(a)静态腐蚀：(b)慢应变速率拉伸测试 Fig.3 Photographs of LBE corrosion test apparatus:(a)static corrosion test apparatus,(b)slow strain-rate tensile test apparatus
真空至 5～40 Pa 时开始精炼，熔炼温度在铁熔点 之上 100～200 ℃；（2）熔炼过程中使用 Al 作脱氧 剂，控制氧质量浓度到 42.86～285.71 mg·m−3 之后 加入其它合金化元素；（3）合金化结束后将钢液快 速浇入铸模，浇铸温度根据钢液的流动状态决定； （4）对获得的铸锭进行热锻，随后采用控轧控冷工 艺进行热轧，温度区间为 1100～900 ℃，轧后采用 在线喷雾冷却，最终获得 15 mm 厚的板材. 图 1 为 轧制板材的金相组织，可以发现板材基本组织均 匀性良好，轧态组织为马氏体+铁素体双相结构， 在晶界和晶内弥散分布有少量的碳化物和氮化 物，没有观察到析出相有明显的团聚和偏析. 1.2 材料的热处理 本文针对制备的 11Cr−1Si 不锈钢板材开展了 不同温度的热处理试验，并对经过热处理的板材 开展了拉伸试验和夏比冲击试验. 具体热处理条 件为在 900、950、1000、1050 和 1100 ℃ 五种温度 下对板材样品进行保温 1 h 后淬火，随后分别在 700、750 和 800 ℃ 下进行 2 h 保温回火，以获得良 好的强韧性匹配，热处理工艺过程如图 2 所示. 拉 伸实验采用标距段直径 6 mm、长 110 mm 的标准 拉伸样品，拉伸速率设定为 5×10−4 s −1，试验温度覆 盖室温到 650 ℃. 夏比冲击试验采用尺寸为 5 mm× 10 mm×55 mm 的带 45°夹角 V 型缺口的标准冲击 样品，缺口深度以及底部曲率半径分别为 2 mm 和 0.25 mm，试验温度为室温. 1.3 与铅铋相容性实验 为了研究 11Cr−1Si 不锈钢与液态铅铋的相容 性，分别开展了不锈钢在铅铋中的静态腐蚀实验 和应力腐蚀实验. 静态腐蚀实验在自主搭建的铅 铋腐蚀装置（图 3（a））中进行，该装置最高运行温 度可达 550 ℃，具备氧浓度测量及控制条件. 腐蚀 实验在 500 ℃、饱和氧状态的液态铅铋合金中进 行，腐蚀时间分别为 1000、2000 和 3368 h. 静态腐 10 μm EHT=20.00 kV WD=21 mm Signal A=SE1 Mag=1.00 KX Date: 21 Mar 2019 Time: 13:45:56 图 1 11Cr−1Si 不锈钢轧态扫描电镜形貌 Fig.1 SEM image of 11Cr−1Si steel after hot rolling Austenitization 1100 ℃, 1 h 1050 ℃, 1 h 1000 ℃, 1 h 950 ℃, 1 h Oil quenching Temperature 900 ℃, 1 h Tempering 800 ℃, 2 h 750 ℃, 2 h 700 ℃, 2 h Air cooling Time 图 2 11Cr−1Si 不锈钢热处理工艺过程 Fig.2 Schematic of heat treatment procedure for 11Cr−1Si steel (a) (b) Power controller Gas loop Actuator Control panel Test tank Test tank Data acquisition module Storage tank 图 3 液态铅铋环境腐蚀装置. （a）静态腐蚀；（b）慢应变速率拉伸测试 Fig.3 Photographs of LBE corrosion test apparatus: (a) static corrosion test apparatus; (b) slow strain‒rate tensile test apparatus · 1490 · 工程科学学报，第 42 卷，第 11 期
赵熹等：一种铅基快堆用高硅不锈钢的热处理工艺优化及铅铋相容性研究 ·1491 蚀实验采用尺寸为25mm×10mm×5mm的片状抛 2热处理制度对力学性能的影响 光样品，热处理工艺为淬火(1050℃60min,水 冷)+回火(750℃/120min,空冷).腐蚀后的样品没 2.1淬火温度对组织的影响 不同温度淬火处理后的11Cr-1Si不锈钢金相 有对表面铅铋进行清洗，直接采用线切割截取横 组织如图4所示，可以看到由于Cr、Si等铁素体形 向截面后镶嵌，经过砂纸打磨抛光后利用扫描电 成元素含量较高，且奥氏体形成元素Ni含量较低， 镜观察样品腐蚀界面的完整性、铅铋渗透情况和 轧态不锈钢中的铁素体相在加热过程中难以完全 氧化膜生成情况 转化为奥氏体，从而在淬火后不锈钢呈现出铁素体/ 应力腐蚀实验在铅铋环境慢应变速率拉伸测 马氏体双相结构，并且铁素体相保留了沿轧制方向 试装置（图3(b))中开展，该装置具备饱和氧和低 分布的特点，同时在晶内和品界处能看到均匀分布 氧浓度环境测试条件，最高运行温度为550℃.实 的碳化物和氮化物析出相.此外合金品粒尺寸随着 验采用标距段长l5mm、直径3mm的小尺寸样 淬火加热温度的升高而增大，且不同加热温度淬火 品，样品表面未经过抛光处理，以增加与液态铅铋 后形成的铁素体相含量有明显区别.采用ImageJ 的接触面，样品调质处理工艺与静态腐蚀实验一 软件对金相照片中的铁素体含量进行统计（表2）， 致.实验温度选择350、400和450℃，拉伸应变速 发现1050℃淬火后铁素体相含量最少，950℃和 率设定为5×10s,每个温度条件均在氩气环境 1000℃加热淬火形成的铁素体相比例接近，900℃ 中开展了对照实验.样品在开始加载前先在450℃ 和1100℃由于温度偏低或过高，导致α-铁素体向 铅铋中浸泡24h,之后再调节温度到目标试验温 奥氏体转变的过程不完全或发生奥氏体向高温铁 度开始加载.浸泡的目的是使样品初始状态表面 素体的转变，从而形成较高的铁素体含量.淬火态 附着的氧化膜松动，使液态铅秘与样品基体表面 铁素体含量过高会导致合金强度过低，且加热温度 在加载过程中充分接触.断裂后将样品取出，放入 过高会使得8-铁素体含量增加，导致合金冲击韧性 由乙醇(C2HOH)、冰乙酸(CH3COOH)和过氧化 下降，不能满足服役需求.因此11Cr-1Si不锈钢淬 氢(H2O2)按照体积比1：1：1配制的混合溶液中 火加热温度考虑选择950℃~1050℃ 进行浸泡清洗.去除表面附着的铅铋后，采用扫描 2.2淬回火温度对力学性能的影响 电镜对样品断口进行观察. 在淬火温度对组织影响研究的基础上，本文 (a) b (c) um Rollig dircouph Rolling direction SU um (d) e Rolling direction Rolling directon 图411Cr-1Si不锈钢不同温度淬火后扫描电镜形貌.(a)900℃：(b)950℃：(c)1000℃：(d)1050℃：(e)1100℃ Fig.4 SEM images of11Cr-1 Si steel after water quenching at different temperatures:.(a)900℃；(b)950℃，(c)1000℃，(d)1050℃，(e)1100℃
蚀实验采用尺寸为 25 mm×10 mm×5 mm 的片状抛 光样品 ，热处理工艺为淬火（ 1050 ℃/60 min，水 冷）+回火（750 ℃/120 min，空冷）. 腐蚀后的样品没 有对表面铅铋进行清洗，直接采用线切割截取横 向截面后镶嵌，经过砂纸打磨抛光后利用扫描电 镜观察样品腐蚀界面的完整性、铅铋渗透情况和 氧化膜生成情况. 应力腐蚀实验在铅铋环境慢应变速率拉伸测 试装置（图 3（b））中开展，该装置具备饱和氧和低 氧浓度环境测试条件，最高运行温度为 550 ℃. 实 验采用标距段长 15 mm、直径 3 mm 的小尺寸样 品，样品表面未经过抛光处理，以增加与液态铅铋 的接触面，样品调质处理工艺与静态腐蚀实验一 致. 实验温度选择 350、400 和 450 ℃，拉伸应变速 率设定为 5×10−5 s −1，每个温度条件均在氩气环境 中开展了对照实验. 样品在开始加载前先在 450 ℃ 铅铋中浸泡 24 h，之后再调节温度到目标试验温 度开始加载. 浸泡的目的是使样品初始状态表面 附着的氧化膜松动，使液态铅铋与样品基体表面 在加载过程中充分接触. 断裂后将样品取出，放入 由乙醇（C2H5OH）、冰乙酸（CH3COOH）和过氧化 氢（H2O2）按照体积比 1∶1∶1 配制的混合溶液中 进行浸泡清洗. 去除表面附着的铅铋后，采用扫描 电镜对样品断口进行观察. 2 热处理制度对力学性能的影响 2.1 淬火温度对组织的影响 不同温度淬火处理后的 11Cr−1Si 不锈钢金相 组织如图 4 所示，可以看到由于 Cr、Si 等铁素体形 成元素含量较高，且奥氏体形成元素 Ni 含量较低， 轧态不锈钢中的铁素体相在加热过程中难以完全 转化为奥氏体，从而在淬火后不锈钢呈现出铁素体/ 马氏体双相结构，并且铁素体相保留了沿轧制方向 分布的特点，同时在晶内和晶界处能看到均匀分布 的碳化物和氮化物析出相. 此外合金晶粒尺寸随着 淬火加热温度的升高而增大，且不同加热温度淬火 后形成的铁素体相含量有明显区别. 采用 ImageJ 软件对金相照片中的铁素体含量进行统计（表 2）， 发现 1050 ℃ 淬火后铁素体相含量最少，950 ℃ 和 1000 ℃ 加热淬火形成的铁素体相比例接近，900 ℃ 和 1100 ℃ 由于温度偏低或过高，导致 α-铁素体向 奥氏体转变的过程不完全或发生奥氏体向高温铁 素体的转变，从而形成较高的铁素体含量. 淬火态 铁素体含量过高会导致合金强度过低，且加热温度 过高会使得 δ-铁素体含量增加，导致合金冲击韧性 下降，不能满足服役需求. 因此 11Cr−1Si 不锈钢淬 火加热温度考虑选择 950 ℃ ～1050 ℃. 2.2 淬回火温度对力学性能的影响 在淬火温度对组织影响研究的基础上，本文 (a) 50 μm Rolling direction (b) 50 μm Rolling direction (d) 50 μm Rolling direction (e) 50 μm Rolling direction (c) 50 μm Rolling direction 图 4 11Cr−1Si 不锈钢不同温度淬火后扫描电镜形貌. （a）900 ℃；（b）950 ℃；（c）1000 ℃；（d）1050 ℃；（e）1100 ℃ Fig.4 SEM images of 11Cr−1Si steel after water quenching at different temperatures: (a) 900 ℃; (b) 950 ℃; (c) 1000 ℃; (d) 1050 ℃; (e) 1100 ℃ 赵 熹等： 一种铅基快堆用高硅不锈钢的热处理工艺优化及铅铋相容性研究 · 1491 ·