技术摘要：
本发明属于核结构材料及其制备技术领域，具体涉及一种耐辐照含Cu纳米团簇强化高强度低合金钢及其制备方法。目的在于提供一种具有高强度和高延伸率的耐辐照含Cu纳米团簇强化高强度低合金钢及其制备方法，包含以下步骤：首先按照成分及摩尔百分分数配置原料；再将原料置 全部
背景技术：
核能应用最重要的问题之一是核安全问题，核工程结构材料的安全稳定性是决定 核电站、移动核动力以及未来聚变堆能否安全运行的关键因素。核反应堆在长期的运转过 程中，由于中子等强粒子对材料的辐照引起材料原子级联移位而形成空位、间隙原子并促 使合金中溶质原子的偏析而形成原子团簇等材料缺陷，如果有大量的空位缺陷聚集会出现 严重的材料肿胀效应，从而对结构材料机械性能的稳定性产生影响，最终由于辐照诱导脆 性等原因而导致材料失效，这对核反应堆和移动核动力的安全构成极大的隐患。 压力容器是核反应堆的关键部件，其脆化的根本原因是辐照引起的材料微观结构 变化，这种变化对脆化的影响与材料成分、初始微观结构和辐照条件有关。现有研究认为引 起硬化和脆化主要原因有中子辐照引起的晶内纳米尺度的沉淀相、基体损伤和杂质在晶界 的偏析以及它们的相互作用，使韧脆转变温度(DBTT)升高而导致脆化。在以上辐照脆化的 原因中，目前普遍认为沉淀相“尤其是高密度的纳米级Cu沉淀团簇的析出阻碍位错滑移”占 主导地位。然而，其他几种类型的钢由相似或稍大尺寸的富铜纳米相强化，如高强度低合金 (HSLA) 钢和沉淀硬化(PH)不锈钢，具有高强度和优异的塑韧性而不会脆化。本发明创新地 将此富铜纳米团簇作为缺陷陷阱，吸收辐照诱导缺陷和溶质原子，提升耐辐照性能。传统核 结构材料仅能承受不足10dpa的辐照剂量不脆化，而本发明开发的合金材料可耐超过50dpa 的高剂量离子辐照，仍保持良好的强度和塑韧性而不脆化。 公开号为CN 105239010 A的专利文件中，公开了一种Cr-Y-O纳米团簇氧化物弥散 强化低活化钢，氧化物纳米团簇弥散分布，不仅具备优异的力学性能，还具备低活化性能以 及良好的抗辐照肿胀能力，但纳米团簇的成本和本专利不同。公开号CN 109594009 A的专 利中报道了一种含有TaC纳米析出相的抗辐照低活化钢，获得的抗辐照低活化钢在550℃、 195MPa 加载条件下的蠕变持久时间超过5000h，该专利中纳米相的成本和本专利不同。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种具有高强度和高延伸率的耐辐照含Cu纳米团簇强化 高强度低合金钢。本发明的目的还在于提供一种耐辐照含Cu纳米团簇强化高强度低合金钢 的制备方法。 为实现本发明的目的，采用的技术方案为： 一种耐辐照含Cu纳米团簇强化高强度低合金钢，其成分和质量百分比为：Cu0.5- 4.0％、 Ni0.5-6.0％、Mn0.2-2.0％、Cr0.1-1.5％、Mo0.2-1.5％、Al0-0.5％、Nb0-0.5％，余 量为铁。 一种耐辐照含Cu纳米团簇强化高强度低合金钢的制备方法，包含以下步骤： 3 CN 111575596 A 说 明 书 2/4 页 步骤一：按照一种耐辐照含Cu纳米团簇强化高强度低合金钢的成分及质量百分含 量配置原料，其成分和质量百分比为：Cu0.5-4 .0％、Ni0.5-6 .0％、Mn0.2-2 .0％、Cr0.1- 1.5％、Mo0.2-1.5％、 Al0-0.5％、Nb0-0.5％，余量为铁； 步骤二：将合金原料置于坩埚内，抽真空至1×10-2MPa以上后充入氩气至0.01- 0.1MPa； 步骤三：采用高真空电弧熔炼，反复熔炼2-10次，在水冷铜模具中吸铸成φ20mm合 金棒材； 步骤四：将合金棒材在900～1100℃热轧到10mm厚，下压量单道次10％，热轧后保 温0.25～ 1h；然后，将试样冷轧到2mm厚，每道次0.4～0.6mm； 步骤五：固溶时效处理； 步骤六：离子辐照。 所述固溶处理温度为880～1000℃，固溶时间为30～180min；时效温度为475～600 ℃，时效时间为2～1200min。 所述离子辐照注入的Au2 离子的能量为3～9MeV，注量为1 .0×1014～1 .0× 1017ions/cm2， dpa为40～75。 本发明的有益效果为： 本发明通过合金成分设计，通过时效析出富Cu纳米团簇强化合金，并作为辐照诱 导缺陷陷阱提高耐辐照性能，可耐超过50dpa的高剂量离子辐照，具有优异的耐辐照性能， 在核结构材料尤其是压力容器用钢领域具有很好的应用前景。 附图说明 图1为500℃时效2min的显微结构； 图2为500℃时效1h的显微结构； 图3为500℃时效20h的显微结构； 图4为500℃硬度随时效时间的变化曲线； 图5为固溶和500℃不同时效时间处理的工程应力-应变曲线； 图6为固溶态和各时效态试样辐照前后纳米压痕硬度图； 图7为固溶态和各时效态试样辐照前后杨氏模量变化图； 图8为峰时效态未辐照富铜纳米团簇强化钢中富Cu纳米团簇分布图； 图9为峰时效态Au2 辐照后富铜纳米团簇强化钢中富Cu和富Ni纳米团簇分布图。
本发明属于核结构材料及其制备技术领域，具体涉及一种耐辐照含Cu纳米团簇强化高强度低合金钢及其制备方法。目的在于提供一种具有高强度和高延伸率的耐辐照含Cu纳米团簇强化高强度低合金钢及其制备方法，包含以下步骤：首先按照成分及摩尔百分分数配置原料；再将原料置 全部
背景技术：
核能应用最重要的问题之一是核安全问题，核工程结构材料的安全稳定性是决定 核电站、移动核动力以及未来聚变堆能否安全运行的关键因素。核反应堆在长期的运转过 程中，由于中子等强粒子对材料的辐照引起材料原子级联移位而形成空位、间隙原子并促 使合金中溶质原子的偏析而形成原子团簇等材料缺陷，如果有大量的空位缺陷聚集会出现 严重的材料肿胀效应，从而对结构材料机械性能的稳定性产生影响，最终由于辐照诱导脆 性等原因而导致材料失效，这对核反应堆和移动核动力的安全构成极大的隐患。 压力容器是核反应堆的关键部件，其脆化的根本原因是辐照引起的材料微观结构 变化，这种变化对脆化的影响与材料成分、初始微观结构和辐照条件有关。现有研究认为引 起硬化和脆化主要原因有中子辐照引起的晶内纳米尺度的沉淀相、基体损伤和杂质在晶界 的偏析以及它们的相互作用，使韧脆转变温度(DBTT)升高而导致脆化。在以上辐照脆化的 原因中，目前普遍认为沉淀相“尤其是高密度的纳米级Cu沉淀团簇的析出阻碍位错滑移”占 主导地位。然而，其他几种类型的钢由相似或稍大尺寸的富铜纳米相强化，如高强度低合金 (HSLA) 钢和沉淀硬化(PH)不锈钢，具有高强度和优异的塑韧性而不会脆化。本发明创新地 将此富铜纳米团簇作为缺陷陷阱，吸收辐照诱导缺陷和溶质原子，提升耐辐照性能。传统核 结构材料仅能承受不足10dpa的辐照剂量不脆化，而本发明开发的合金材料可耐超过50dpa 的高剂量离子辐照，仍保持良好的强度和塑韧性而不脆化。 公开号为CN 105239010 A的专利文件中，公开了一种Cr-Y-O纳米团簇氧化物弥散 强化低活化钢，氧化物纳米团簇弥散分布，不仅具备优异的力学性能，还具备低活化性能以 及良好的抗辐照肿胀能力，但纳米团簇的成本和本专利不同。公开号CN 109594009 A的专 利中报道了一种含有TaC纳米析出相的抗辐照低活化钢，获得的抗辐照低活化钢在550℃、 195MPa 加载条件下的蠕变持久时间超过5000h，该专利中纳米相的成本和本专利不同。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种具有高强度和高延伸率的耐辐照含Cu纳米团簇强化 高强度低合金钢。本发明的目的还在于提供一种耐辐照含Cu纳米团簇强化高强度低合金钢 的制备方法。 为实现本发明的目的，采用的技术方案为： 一种耐辐照含Cu纳米团簇强化高强度低合金钢，其成分和质量百分比为：Cu0.5- 4.0％、 Ni0.5-6.0％、Mn0.2-2.0％、Cr0.1-1.5％、Mo0.2-1.5％、Al0-0.5％、Nb0-0.5％，余 量为铁。 一种耐辐照含Cu纳米团簇强化高强度低合金钢的制备方法，包含以下步骤： 3 CN 111575596 A 说 明 书 2/4 页 步骤一：按照一种耐辐照含Cu纳米团簇强化高强度低合金钢的成分及质量百分含 量配置原料，其成分和质量百分比为：Cu0.5-4 .0％、Ni0.5-6 .0％、Mn0.2-2 .0％、Cr0.1- 1.5％、Mo0.2-1.5％、 Al0-0.5％、Nb0-0.5％，余量为铁； 步骤二：将合金原料置于坩埚内，抽真空至1×10-2MPa以上后充入氩气至0.01- 0.1MPa； 步骤三：采用高真空电弧熔炼，反复熔炼2-10次，在水冷铜模具中吸铸成φ20mm合 金棒材； 步骤四：将合金棒材在900～1100℃热轧到10mm厚，下压量单道次10％，热轧后保 温0.25～ 1h；然后，将试样冷轧到2mm厚，每道次0.4～0.6mm； 步骤五：固溶时效处理； 步骤六：离子辐照。 所述固溶处理温度为880～1000℃，固溶时间为30～180min；时效温度为475～600 ℃，时效时间为2～1200min。 所述离子辐照注入的Au2 离子的能量为3～9MeV，注量为1 .0×1014～1 .0× 1017ions/cm2， dpa为40～75。 本发明的有益效果为： 本发明通过合金成分设计，通过时效析出富Cu纳米团簇强化合金，并作为辐照诱 导缺陷陷阱提高耐辐照性能，可耐超过50dpa的高剂量离子辐照，具有优异的耐辐照性能， 在核结构材料尤其是压力容器用钢领域具有很好的应用前景。 附图说明 图1为500℃时效2min的显微结构； 图2为500℃时效1h的显微结构； 图3为500℃时效20h的显微结构； 图4为500℃硬度随时效时间的变化曲线； 图5为固溶和500℃不同时效时间处理的工程应力-应变曲线； 图6为固溶态和各时效态试样辐照前后纳米压痕硬度图； 图7为固溶态和各时效态试样辐照前后杨氏模量变化图； 图8为峰时效态未辐照富铜纳米团簇强化钢中富Cu纳米团簇分布图； 图9为峰时效态Au2 辐照后富铜纳米团簇强化钢中富Cu和富Ni纳米团簇分布图。
