技术摘要：
本发明公开一种纳米结构低活化马氏体钢及其制备方法，本发明纳米结构低活化马氏体钢，以质量百分数计，其化学元素包括：C 0.08％～0.012％，Si 0.1％～0.25％，Mn 0.4％～0.5％，Cr 8.5％～9.5％，W 1％～1.5％，V 0.18％～0.22％，Ti 0.01％～0.05％，N 0.0050％～0.0  全部
背景技术：
核聚变堆作为一种清洁能源，在保证能源安全、应对全球气候变化及环境污染方 面具有重大的战略意义，现已成为国内外竞相研究的热点高低。由于聚变堆内工作环境远 比裂变对苛刻，堆内温度更高，压力更大，中子辐照强度更大，因此对聚变堆材料提出了更 高的要求。高性能结构材料的发展成为聚变堆最终能否实现商业应用的关键。 在聚变堆设计之初，即引入了“低活化材料”的概念，即材料在服役后的放射性需 在100年内降低至可循环使用的限制水平(10mSv/h)。材料中Al、Ni、Cu、Nb、Mo及Sn等高活化 元素的含量被严格限制。因此，传统的奥氏体钢或镍基高温合金由于Ni的高活化作用而不 再被列入聚变堆结构材料的考虑范围，低活化钢应运而生。中国专利公布的“一种纳米析出 相强化的抗辐照低活化钢的制备方法(CN  109594009  A)”，其首先制备了FeTaC中间合金， 然后将FeTaC合金加入钢中，中间合金的制备提高了低活化钢的制备成本。同时其采用 FeTaC中的C进行脱氧，由于感应炉熔炼过程中合金液中的氧的质量分数不确定，因此很难 制备出C和Ta成分可控的低活化钢。相关研究结果表明大部分Ta在钢中将以固溶的形式存 在，这是造成实验钢辐照后韧脆转变温度(DBTT)升高的主要原因，因此应减少Ta元素的使 用。中国专利公布的“一种用于聚变堆的低活化钢结构材料(CN  102560257  B)”，其采用Ti 元素代替了Ta元素。该发明化学成分中W为2.0％～2.5％，N为0.01％～0.05％，过多的W将 导致钢中Laves相(Fe2W)的析出进而恶化钢的高温力学性能，过高的N含量将导致熔炼过程 中生成尺寸较大的TiN型夹杂物恶化钢的冲击力学性能。其在热加工冷却至室温后进行了 退火处理，并不能有效避免裂纹的产生，热加工冷却至室温过程中已有裂纹产生。同时其采 用了含Ta低活化钢常规的热处理工艺，并不能完全发挥出Ti的析出强化效果。同时，从低活 化钢的发展来看，国内外已有多位研究者提出了对冶金制备技术的迫切需求，制备工艺对 低活化钢的纯净度、组织和性能影响显著。因此有必要开发出一种新型的纳米结构低活化 钢，并提出包括熔炼、热加工和热处理的完备的制备工艺。
技术实现要素：
为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种纳米结构低活化马氏 体钢及其制备方法，以提高低活化钢结构材料的使用性能。 本发明采用的技术方案如下： 一种纳米结构低活化马氏体钢，以质量百分数计，其化学元素包括： C  0.08％～0.012％，Si  0.1％～0.25％，Mn  0.4％～0.5％，Cr  8.5％～9.5％，W  1％～1.5％，V  0.18％～0.22％，Ti  0.01％～0.05％，N  0.0050％～0.01％，余量为Fe。 本发明所述纳米结构低活化马氏体钢的制备方法包括如下过程： 3 CN 111593265 A 说　明　书 2/7 页 自耗电极的制备：按照组分进行配料，先将Fe、Cr、W和C进行真空熔炼，待合金熔清 后，进行精炼，精炼温度为1600～1610℃；精炼结束后，使合金液温度降低至1540～1550℃， 再向合金液中依次加入Si、Mn、V和Ti；待合金熔清后，通入氮气，使压力保持在2000～ 4000Pa，在氮气环境下进行浇铸，浇铸温度为1510～1530℃；将浇铸制备的钢锭锻造成电极 棒； 保护性电渣重熔精炼：将电极棒在氮气气氛下进行电渣重熔精炼，得到精炼钢锭； 高温锻造：将精炼钢锭进行锻造得到能够用来轧制的中间锻件，锻造温度为1000 ～1150℃； 中温轧制：将中间锻件进行轧制以得到原始轧件，轧制温度为760～940℃，轧制前 将中间锻件进行奥氏体化，轧后将原始轧件缓慢冷却至室温； 微观组织定型热处理：将原始轧件进行第一次淬火，淬火温度为1000～1050℃，保 温时间为0.5～1h，冷却方式为水冷；对第一次淬火后的原始轧件进行第二次淬火，淬火温 度为950～1000℃，保温时间为0.5～1h，冷却方式为水冷；对第二次淬火后的原始轧件进行 回火，回火后得到所述纳米结构低活化马氏体钢。 优选的，向合金液中依次加入Si、Mn、V和Ti时，Si加完后间隔1～1.5min再加入Mn， Mn加完后间隔1～1.5min再加入V，V加完后间隔1～1.5min再加入Ti。 优选的，制备自耗电极时，精炼时间为50～70min。 优选的，制备自耗电极时，将浇铸制备的钢锭进行扩散退火，扩散退火的温度为 1150～1200℃，时间为1～2h，随后锻造成电极棒，锻造温度为1000～1150℃。 优选的，保护性电渣重熔精炼时，先去除电极棒表面的氧化铁皮；引弧剂为纯铁 屑；精炼用渣系为55wt％CaF2-20wt.％CaO-20wt.％Al2O3-5wt.％MgO。 优选的，高温锻造时，先去除精炼钢锭顶部和底部有缺陷的部位，再将精炼钢锭进 行保温处理，消除凝固过程中产生的应力，保温处理的温度为1150～1200℃，时间为1.5～ 2h；然后将精炼钢锭进行锻造得到能够用来轧制的中间锻件。 优选的，中间锻件进行奥氏体化时，将中间锻件置于1100～1150℃保温1～1.5h， 实现奥氏体化。 优选的，中温轧制时，缓冷速度为1～2℃/s。 优选的，微观组织定型热处理时，回火温度为650～700℃，保温时间1.5～2h，冷却 方式为水冷。 本发明具有如下有益效果： 本发明纳米结构低活化马氏体钢中，避免了Ta元素的使用，可以有效避免材料辐 照后DBTT的大幅上升；同时钢中W含量控制在较低的水平，钨含量只有1％～1.5％，低于现 有技术中2.0％～2.5％的钨含量，因此可避免高温运行过程中Fe2W相的析出进而恶化钢的 综合力学性能。 本发明纳米结构低活化马氏体钢的制备方法，由于Fe、Cr和W的加入量较多，所以 要先将Fe、Cr和W熔化；因为W的熔点很高，在1600～1610℃精炼能够将W完全溶解；后面的 1540～1550℃是合金化的温度，Si、Mn、V和Ti都会和氧发生反应，温度过高容易造成大量烧 损，通入氮气，是为了保证钢中的氮含量，浇铸温度的控制是为了保证凝固组织的致密性， 浇铸温度越低凝固组织就越好。保护性电渣重熔精炼时，在氮气气氛下进行电渣重熔精炼， 4 CN 111593265 A 说　明　书 3/7 页 是为了防止上一步吸进去的氮析出。在1000～1150℃进行高温锻造，主要目的是把钢锭锻 造成板材，以方便后面的轧制；中温轧制的目的是让钢具有较高的强度，轧制温度低会发生 加工硬化，这样钢的强度就高了，轧前将中间锻件进行奥氏体化，使得钢中发生奥氏体相的 转变，得到奥氏体组织，缓慢冷却是为了防止应力集中产生裂纹，应力诱导形核也会促进纳 米级Ti(C,N)和(Ti,W)(C,N)的析出。由于前面中温轧制，加工硬化造成材料塑性的降低，所 以需要进行淬火释放一下里面的应力，两次淬火的目的：第一次淬火的目的是为了释放中 温轧制加工硬化引起的应力同时使钢中析出一部分纳米级MX相(VC或TiC或(W,Ti)(C,N))， 第二次淬火的目的是细化奥氏体晶粒，同使钢中析出大量的纳米级MX相(VC或TiC或(W,Ti) (C,N))，由于第二次淬火温度比第一次淬火温度低，所以析出的MX相的尺寸会很小，回火的 目的是为了释放淬火应力得到回火马氏体组织，同时在钢中析出纳米级M23C6(M＝Fe或Cr)。 进一步的，由于Si、Mn、V和Ti都具有脱氧功能，会与钢中的氧结合，加入V和Ti主要 是能够生成碳化物，所以要先加入Si和Mn消耗一下钢中的氧，这样V和Ti就不会生成氧化 物，钢中的V含量高一些(0.18％-0 .22％)，所以比Ti早加，不然氧会消耗Ti，Ti加入量才 0.01％～0.05％。因此本发明基于上述考虑，向合金液中依次加入Si、Mn、V和Ti时，Si加完 后间隔1～1.5min再加入Mn，Mn加完后间隔1～1.5min再加入V，V加完后间隔1～1.5min再加 入Ti。 进一步的，制备自耗电极时，将浇铸制备的钢锭在1150～1200℃下扩散退火1-2h， 是为了防止电极被锻废，温度低了容易出裂纹。 进一步的，保护性电渣重熔精炼时，先去除电极棒表面的氧化铁皮是防止氧化铁 皮带入氧；用纯铁屑引弧，是为了防止污染钢；精炼渣是配套的渣系，采用此渣系的目的是 防止带入过多的高活化元素Al。 进一步的，高温锻造时，去头去尾是为了得到组织致密的钢锭，锻造前做保温处理 是为了消除凝固过程中产生的应力。 进一步的，中间锻件进行奥氏体化时，将中间锻件置于1100～1150℃保温1～ 1.5h，在该温度下既能够实现奥氏体化，同时还能够防止晶粒粗化，提高轧制性能。 进一步的，中温轧制时，缓冷速度为1～2℃/s，在这个缓冷速率下，能够有效防止 相变裂纹的产生。 进一步的，微观组织定型热处理时，回火温度为650～700℃，保温时间1.5～2h，以 得到回火马氏体，提高钢的力学性能。 附图说明 图1为本发明纳米结构低活化马氏体钢的制备工艺流程图。