專利名稱：一種復合結構材料及采用該材料制備管道部件的工藝的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種復合材料及基于復合材料制備管道的工藝，具體涉及一種適用于鈉冷快堆和聚變液態金屬包層的復合結構材料及采用該材料制備管道部件的工藝。
背景技術：
根據我國核能發展戰略，快堆和聚變堆將成為我國今后核能系統技術發展的方向。其中鈉冷快堆是多種快堆概念中的首選概念，但其結構材料的選擇必須考慮與液態金屬鈉的相容性。而目前中國的聚變堆設計中擬采用氦冷固態氚增殖包層或雙功能液態金屬包層來實現氚自持，在聚變液態金屬包層中，液態金屬鋰或鋰鉛合金將同時作為氚增殖劑和冷卻劑，其結構材料的選擇也同樣要考慮與液態金屬的相容性。另外，鈉冷快堆和聚變堆的中子輻照損傷都很嚴重，商用快堆在100個dpa (材料輻照損傷單位，每個原子平均離位次數)左右，商用聚變堆達到200個dpa，因此，抗中子輻照和耐液態金屬腐蝕是鈉冷快堆與聚變堆液態包層共同要面臨的結構材料問題。經過多年實驗研究，釩合金與低活性鐵素體/馬氏體鋼都具有良好的抗強中子輻照特性，特別是釩合金，釩合金可以抗200個dpa的中子輻照，而且與液態堿金屬(鋰、鈉、 鉀)具有良好的相容性，并且它的中子吸收截面積小，工作窗口上限溫度高，從理論上釩合金是快堆與聚變堆液態金屬包層非常理想的結構材料。但釩合金的應用面臨很嚴重的工程問題，那就是它對氧過于敏感，比如在聚變液態雙冷包層中，即便采用高純氦氣做冷卻劑， 氦氣里的氧含量也必須控制在PPb (十億分之一)級，否則高純氦氣中的氧將會不斷腐蝕釩合金，影響反應堆安全，無法滿足商用反應堆長期運行的需要。而低活性鐵素體/馬氏體鋼對氧就不敏感，在高溫高壓環境下與氦氣和水都具有良好的相容性，但與液態堿金屬的相容性則很差，而且液態金屬對低活性鐵素體/馬氏體鋼的腐蝕會隨著液態金屬的流速增加而顯著加深，而液態金屬的冷卻劑效用又取決于流速本身，這就對低活性馬氏體鋼在鈉冷快堆和聚變堆液態金屬包層中的應用形成了限制。
發明內容
本發明的目的在于提供一種適用于鈉冷快堆和聚變液態金屬包層的復合結構材料，以及采用該材料制備管道部件的工藝。實現本發明目的的技術方案—種復合結構材料，包括雙層結構，其中一層結構采用釩合金材料，一層結構采用低活性馬氏體鋼材料；所述的釩合金由V、Cr、Ti三種元素組成，各元素成分質量百分比為 V占85%以上，Cr在3. 5-5. 5%之間，Ti在3. 5-10. 5%之間；所述的低活性馬氏體鋼由Fe、 Cr、V、Mn、W和Ta元素組成，各元素成分質量百分比為Fe占86%以上，Cr在7. 5-9. 5%之間，V 在 0. 1-0. 3%之間，W在 1. 0-2. 0%之間，Mn 在 0. 1-0. 6%之間，Ta 在 0. 01-0. 3%之間。如上所述的一種復合結構材料，釩合金各元素成分質量百分比為V占92%，Cr占 4%，Ti占4% ；低活性馬氏體鋼各元素成分質量百分比為Fe占89%，Cr占8.5%，V占0. 25%，W 占 1. 5%，Mn 占 0. 5%，Ta 在 0. 25%。一種采用復合結構材料制備管道部件的工藝，包括以下步驟第一步，制備粒徑范圍為50-200微米的釩合金球形粉末；第二步，制備粒徑范圍為50-200微米的低活性馬氏體鋼粉末；第三步，采用激光立體成形技術制備釩合金與低活性馬氏體鋼雙層復合結構的管道部件，具體過程如下(1)設計管道部件的三維模型；(2)將模型按一定的厚度切片分層，將管道部件的三維信息轉換為二維輪廓信息；(3)采用激光熔覆的方法，將制備好的釩合金球形粉末和低活性馬氏體鋼粉末材料按照二維輪廓信息逐層堆積，形成三維實體管道部件。如上所述的一種采用復合結構材料制備管道部件的工藝，其特征在于所述的第一步中，制備粒徑范圍為50-200微米的釩合金球形粉末，采用以下步驟實現(1)制備釩合金電極棒將釩枝與鈦金屬粉、鉻金屬按比例混合，進行真空除雜， 進行壓棒、電子轟擊形成釩合金電極棒；(2)采用等離子輔助旋轉電極法制備釩合金球形粉末將釩合金棒材作為旋轉電極，一端連接高速電機，一端受等離子弧加熱而形成液體，利用電極高速旋轉產生的離心力將釩合金液滴甩出，形成釩合金球形粉。如上所述的一種采用復合結構材料制備管道部件的工藝，其特征在于所述的第二步中，制備粒徑范圍為50-200微米的低活性馬氏體鋼粉末，采用以下步驟實現(1)制備低活性馬氏體鋼棒材將活性雜質元素含量低的高純原料采用真空感應熔煉工藝得到鑄錠，采用熔煉工藝對鑄錠進行二次重熔，鍛造形成低活性馬氏體鋼棒材；(2)采用等離子輔助旋轉電極法制備馬氏體鋼粉末將低活性馬氏體鋼棒材作為旋轉電極，一端連接高速電機，一端受等離子弧加熱而形成液體，利用電極高速旋轉產生的離心力將液滴甩出，在惰性氣氛保護下冷卻形成球形度高的低活性馬氏體鋼球形粉。本發明的效果在于復合結構材料選用雙層結構，一層結構采用釩合金材料，一層結構采用低活性馬氏體鋼材料。實際應用中，與液態堿金屬接觸的一側采用釩合金，與環境氣體或其他冷卻劑(氦氣和水)接觸的一側采用低活性馬氏體鋼，本發明的復合結構材料能充分利用釩合金和低活性馬氏體鋼兩種材料在鈉冷快堆和聚變堆液態金屬應用中各自的優點，能夠有效解決抗中子輻照和耐液態金屬腐蝕的問題。采用本發明的制備工藝的優點是可以顯著提高材料利用率，減少加工周期，復合材料部件成形不需制造模件，對復合材料成形零件的加工沒有尺寸限制，高能激光產生的快速熔化和凝固過程使復合材料本身具有致密均勻細小的組織，從而具有優異的力學性能，強度和塑性可以同時達到鍛件的水平，整個加工過程在惰性氣氛保護下進行，可以有效地防止釩合金在一般熱加工過程中的氧化問題，復合材料雙層結構的厚度可以根據設計需要任意搭配，釩合金層與低活性馬氏體鋼層由于逐層生長而成結合緊密。
具體實施例方式下面實施例對本發明作進一步描述。
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一種復合結構材料，包括雙層結構，其中一層結構采用釩合金材料，一層結構采用低活性馬氏體鋼材料。釩合金由V、Cr、Ti三種元素組成，各元素成分質量百分比為V占 92%，Cr占4%，Ti占4%。低活性馬氏體鋼由Fe、Cr、V、Mn、W和Ta元素組成，各元素成分質量百分比為Fe 占 89%，Cr 占 8. 5%，V 占 0. 25%，W 占 1. 5%，Mn 占 0. 5%，Ta 在 0. 25%。一種釩合金與低活性馬氏體鋼雙層復合結構無縫管，其管內徑80mm，管外徑 120mm，管長150mm，其中管道內側為釩合金，管道外側為低活性馬氏體鋼，釩合金層厚度 10mm，低活性馬氏體鋼厚度10mm。制備上述釩合金與低活性馬氏體鋼雙層復合結構無縫管的工藝包括以下步驟(1)制備的釩合金球形粉末將釩枝與鈦金屬粉、鉻金屬按比例混合采用電子束熔煉經電極重熔成直徑60mm長400mm的棒材，采用等離子旋轉電極設備，利用旋轉電極工藝制備釩合金球形粉。球形粉指標為粒徑在100-200微米之間，球形度達到99%以上，釩合金球形粉中Cr的含量在4士0. 05%之間，Ti的含量在4士0. 05%之間，在釩合金粉中氧含量控制在500ppm以下；(2)制備低活性馬氏體鋼粉末采用真空感應熔煉澆注并鍛成直徑60mm長400mm 的低活性馬氏體棒材，采用等離子旋轉電極設備，利用旋轉電極工藝制成低活性馬氏體鋼球形粉；球形粉指標為粒徑在100-200微米之間，球形度達到99%以上，低活性馬氏體鋼球形粉中Cr的含量為8. 5士0. 3%，W的含量為1. 5士0. 1%，V的含量為0. 25%之間，Mn的含量為 0. 5士0. 2%, Ta 的含量為 0. 25士0. 02% ；(3)采用激光立體成形技術制備釩合金與低活性馬氏體鋼雙層復合結構無縫管。 首先在計算機中生成具有雙層復合結構的管件的三維CAD模型，然后將該管件模型沿管軸方向進行切片分為75層Omm —層)，隨后在計算機的控制下，采用激光立體成形設備，用激光熔覆的方法將制備好的釩合金球形粉末和低活性馬氏體鋼粉末材料逐層堆積，在每層堆積過程中先堆積內側的釩合金，后堆積外側的低活性馬氏體鋼，最終形成釩合金與低活性馬氏體鋼雙層復合結構無縫管件。整個堆積過程在高純氦氣保護下進行，保護氣氛中氧含量控制在IOppm以下。采用上述工藝制備的釩合金與低活性馬氏體鋼雙層復合結構無縫管，可以應用于聚變液態金屬雙冷包層的鋰鉛液態金屬流道，解決結構材料與液態金屬和氦氣中的氧雜質同時兼容的問題，具有抗中子輻照損傷、耐蝕性強、輻照活性低、熱導率高、熱膨脹系數差小的優點。顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和范圍。倘若這些修改和變型屬于本發明權利要求及其等同技術的范圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。
權利要求
1.一種復合結構材料，其特征在于它包括雙層結構，其中一層結構采用釩合金材料， 一層結構采用低活性馬氏體鋼材料；所述的釩合金由V、Cr、Ti三種元素組成，各元素成分質量百分比為V占85%以上，Cr在3. 5-5. 5%之間，Ti在3. 5-10. 5%之間；所述的低活性馬氏體鋼由Fe、Cr、V、Mn、W和I1a元素組成，各元素成分質量百分比為Fe占86%以上，Cr 在 7. 5-9. 5%之間，V 在 0. 1-0. 3%之間，W 在 1. 0-2. 0%之間，Mn 在 0. 1-0. 6%之間，Ta 在 0. 01-0. 3%之間。
2.按照權利要求1所述的一種復合結構材料，其特征在于釩合金各元素成分質量百分比為V占92%，Cr占4%，Ti占4% ；低活性馬氏體鋼各元素成分質量百分比為Fe占 89%，Cr 占 8. 5%，V 占 0. 25%，W 占 1. 5%，Mn 占 0. 5%，Ta 在 0. 25%。
3.一種采用權利要求1所述的復合結構材料制備管道部件的工藝，其特征在于包括以下步驟第一步，制備粒徑范圍為50-200微米的釩合金球形粉末；第二步，制備粒徑范圍為50-200微米的低活性馬氏體鋼粉末；第三步，采用激光立體成形技術制備釩合金與低活性馬氏體鋼雙層復合結構的管道部件，具體過程如下(1)設計管道部件的三維模型；(2)將模型按一定的厚度切片分層，將管道部件的三維信息轉換為二維輪廓信息；(3)采用激光熔覆的方法，將制備好的釩合金球形粉末和低活性馬氏體鋼粉末材料按照二維輪廓信息逐層堆積，形成三維實體管道部件。
4.按照權利要求3所述的一種采用復合結構材料制備管道部件的工藝，其特征在于 所述的第一步中，制備粒徑范圍為50-200微米的釩合金球形粉末，采用以下步驟實現(1)制備釩合金電極棒將釩枝與鈦金屬粉、鉻金屬按比例混合，進行真空除雜，進行壓棒、電子轟擊形成釩合金電極棒；(2)采用等離子輔助旋轉電極法制備釩合金球形粉末將釩合金棒材作為旋轉電極， 一端連接高速電機，一端受等離子弧加熱而形成液體，利用電極高速旋轉產生的離心力將釩合金液滴甩出，形成釩合金球形粉。
5.按照權利要求3所述的一種采用復合結構材料制備管道部件的工藝，其特征在于 所述的第二步中，制備粒徑范圍為50-200微米的低活性馬氏體鋼粉末，采用以下步驟實現(1)制備低活性馬氏體鋼棒材將活性雜質元素含量低的高純原料采用真空感應熔煉工藝得到鑄錠，采用熔煉工藝對鑄錠進行二次重熔，鍛造形成低活性馬氏體鋼棒材；(2)采用等離子輔助旋轉電極法制備馬氏體鋼粉末將低活性馬氏體鋼棒材作為旋轉電極，一端連接高速電機，一端受等離子弧加熱而形成液體，利用電極高速旋轉產生的離心力將液滴甩出，在惰性氣氛保護下冷卻形成球形度高的低活性馬氏體鋼球形粉。
全文摘要
本發明屬于復合材料領域，具體涉及一種復合結構材料及采用該材料制備管道部件的工藝。其特點在于復合結構材料選用雙層結構，一層結構采用釩合金材料，一層結構采用低活性馬氏體鋼材料。實際應用中，與液態堿金屬接觸的一側采用釩合金，與環境氣體或其他冷卻劑接觸的一側采用低活性馬氏體鋼，本發明的復合結構材料能充分利用釩合金和低活性馬氏體鋼兩種材料在鈉冷快堆和聚變堆液態金屬應用中各自的優點，能夠有效解決抗中子輻照和耐液態金屬腐蝕的問題。本發明的制備工藝可以顯著提高材料利用率，減少加工周期。
文檔編號B22F5/12GK102336038SQ20101023619
公開日2012年2月1日 申請日期2010年7月26日 優先權日2010年7月26日
發明者羅天勇 申請人:核工業西南物理研究院