一种提高低活化铁素体/马氏体钢耐铅铋腐蚀性能的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及金属防护技术，具体提供一种提高低活化铁素体/马氏体钢耐铅铋腐 蚀性能的方法。
【背景技术】
[0002] 低活化铁素体/马氏体钢由于低的热膨胀系数、高的热导率、优良的抗辐照肿胀 和抗辐照脆性等优越性能，被选作未来ADS散裂靶的候选结构材料。由于Pb-Bi合金具有 良好的中子学性能、优良的导热性能以及液态Pb-Bi不存在辐照损伤等优点，Pb-Bi合金被 选作未来ADS系统的中子产生靶兼冷却剂。由于ADS系统的工作环境温度在300-700°C区 间，因此液态铅铋合金不可避免地将会对结构材料产生腐蚀，腐蚀方式主要有以下几种：1) 材料中的组分元素在Pb-Bi合金中的溶解和质量迁移；2)组分元素与Pb-Bi合金中的杂质 氧发生化学反应；3)Pb-Bi合金沿材料晶界渗透导致的晶界脆化；4)磨蚀与气蚀。为提高结 构材料的耐铅铋腐蚀性能，一般认为若能在材料表面形成一层致密均匀且稳定的保护膜将 铅铋合金与结构材料相隔离，那么这将会有效地降低铅铋合金对结构材料的腐蚀破坏。为 此，研究人员提出以下几种防护机制：1)结构材料的表面处理与改性；2)在Pb-Bi合金中 添加除氧剂和抑制剂；3)精确控制Pb-Bi合金中的氧含量或氧分压。其中控制Pb-Bi合金 中的氧含量或氧分压是现在的研究热点，但如何实现仍是现在亟待解决的问题。
[0003] 本发明提出利用表面纳米化与预氧化处理相结合的办法，在材料表面形成一层 致密的保护性氧化膜，从而有效地降低铅铋合金对结构材料的腐蚀。表面纳米化技术是最 近提出的一种材料表面改性方式，它利用表面机械碾压处理（SMGT)等方法使金属材料表 面发生严重塑性流变，从而形成一层由表及里依次为纳米晶、亚微米晶和微米晶的梯度结 构。利用SMGT细化材料表面晶粒，有望使合金元素在预氧化处理时发生选择性氧化，快速 形成具有较好综合性能的外氧化层，从而在铅铋环境中起到保护结构材料的作用。
【发明内容】
[0004] 针对ADS散裂靶候选结构材料--低活化铁素体/马氏体钢耐铅铋腐蚀性能较 差，难以在铅铋合金中长时间使用等问题，本发明提供了一种提高其耐铅铋腐蚀性能的方 法，通过表面机械碾压处理（SMGT)及高温预氧化相结合的工艺，在低活化钢的纳米晶表层 形成一层致密均匀的富锰、铬氧化膜；该氧化膜均匀、致密、稳定，从而可以有效地降低液态 铅铋合金对低活化铁素体/马氏体钢的腐蚀，使其满足服役条件的要求。
[0005] 为了实现本发明目的，设计如下技术方案：
[0006] -种提高低活化铁素体/马氏体钢耐铅铋腐蚀性能的方法，其特征在于：通过高 温预氧化处理具有纳米晶表层的低活化钢来提高材料的耐铅铋腐蚀性能。
[0007] 其中，高温预氧化处理的处理温度为550~650°C，时间为20~80h，介质为空气； 低活化铁素体/马氏体钢的纳米晶表层可以通过表面机械碾压处理（SMGT)的方法制备。
[0008] 本发明所述提高低活化铁素体/马氏体钢耐铅铋腐蚀性能的方法，其特征在于： 低活化钢在表面机械碾压处理前的热处理制度为：950~1050°C保温0. 5~1. 5小时水淬， 600~800°C保温1~2小时空冷。
[0009] 本发明所述提高低活化铁素体/马氏体钢耐铅铋腐蚀性能的方法，其特征在于： 低活化铁素体/马氏体钢表面形成的纳米晶尺寸〈l〇〇nm，组织细化层>50μm。
[0010] 本发明所述提高低活化铁素体/马氏体钢耐铅铋腐蚀性能的方法，其特征在于： 腐蚀环境为铅铋共晶合金（Pb-55at. %Bi)，500~600°C，饱和氧压时，防铅铋腐蚀性能最 佳。
[0011] 本发明所述提高低活化铁素体/马氏体钢耐铅铋腐蚀性能的方法，其特征在于， 具体步骤如下：
[0012] (1)、对低活化铁素体/马氏体钢进行热处理得到回火态组织，热处理制度为 950~1050°C保温0· 5~L5小时水淬，600~800°C保温1~2小时空冷；
[0013] (2)、将回火态的低活化铁素体/马氏体钢进行表面机械碾压处理，在材料表面制 备晶粒尺寸〈l〇〇nm的纳米晶，并且有>50μm组织细化层形成；
[0014] (3)、对具有纳米晶表面的低活化铁素体/马氏体钢进行预氧化处理，处理制度 为：550~650°C，保温20~80h，介质为空气；最终在低活化铁素体/马氏体钢表面形成一 层致密均匀且较为稳定的氧化膜，该氧化层可有效地阻挡铅铋合金对结构材料的腐蚀。
[0015] 本发明的原理是：
[0016] 将低活化铁素体/马氏体钢经SMGT处理后可在材料表面形成纳米晶，从而极大地 提高合金元素在材料表面的扩散速度，促进了合金元素在预氧化时发生选择性氧化，有利 于生成致密、均匀且稳定性较好的氧化膜，该氧化层可有效地提高结构材料的耐铅铋腐蚀 性能。
[0017] 本发明的优点在于：
[0018] 1、本发明所述方法有效地提高了材料的耐铅铋腐蚀性能，使得经表面纳米化和预 氧化处理的材料在铅铋合金中的腐蚀速度小于未经上述处理的材料的腐蚀速度。
[0019] 2、本发明所述方法可以解决低活化铁素体/马氏体钢耐铅铋腐蚀性能不理想的 问题，同时表面纳米化可以提高材料的抗高温氧化能力及力学性能等。
【附图说明】
[0020] 图1为9Cr2WVTa低活化马氏体钢热处理后的原始粗晶形貌；
[0021 ] 图2为9Cr2WVTa低活化马氏体钢经过表面机械碾压处理（SMGT)后截面形貌；
[0022] 图3为经SMGT处理后材料表面组织的透射电子显微镜暗场像；
[0023] 图4为经SMGT处理后的9Cr2WVTa钢在600°C保温20h后所生成氧化膜的元素分 布；
[0024] 图5为经纳米化及预氧化处理后材料在550°C铅铋合金中静置500h后的截面形 貌；
[0025] 图6为原始粗晶材料在550°C铅铋合金中静置500h后的截面形貌；
[0026] 图7为具有纳米晶表面的材料在550°C铅铋合金中静置500h后的截面形貌；
[0027] 图8为原始粗晶材料在600°C保温20h后所生成氧化膜的元素分布；
[0028] 图9为预氧化处理原始粗晶材料在550°C铅铋合金中静置500h后的截面形貌。
【具体实施方式】
[0029] 实施例1
[0030] 以9Cr2WVTa低活化铁素体/马氏体钢为研究材料来说明本发明对低活化钢耐铅 铋腐蚀性能的影响，其成分如表1所示。材料在SMGT前的热处理制度为：1050°C保温1小 时水淬，750°C保温2小时空冷；由图1可知，热处理后材料由回火马氏体及碳化物组成，晶 粒尺寸约为15μm。将经过热处理后的低活化钢进行表面机械碾压处理，图2为材料经SMGT 处理后的截面形貌，从图中可知其组织细化层约为70μm;图3为经SMGT处理后材料表面 组织的透射电子显微镜暗场像，可知在材料表面形成了晶粒尺寸小于l〇〇nm的纳米晶。具 有纳米晶表面的9Cr2WVTa在600°C预氧化20h后，其氧化层中的元素分布如图4所示；由 图可知，在纳米晶表面形成了厚度约为l〇〇nm的氧化层，其中铁、铬、锰的原子百分比分别 为25%，9%，13%。将具有该氧化层的样品在550°C静态铅铋共晶合金且为饱和氧压的环 境中放置500h后，其截面形貌如图5所示，由图可知，结构材料没有发生明显的氧化腐蚀， 因此通过预氧化处理具有纳米晶表层的9CrWVTa低活化钢可以显著提高材料的耐铅铋腐 蚀性能。
[0031] 表1 9CrWVTa低活化铁素体/马氏体钢的成分（质量百分比％ )
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