一种具备优异强塑性的层状结构RAFM钢制备方法

技术领域

本发明属于金属材料制备领域，具体涉及一种具备优异强塑性的层状结构RAFM钢制备方法。

背景技术

低活化铁素体/马氏体钢(RAFM钢)在强辐照条件下仍具有良好的力学性能、导热性及抗热膨胀性，被认为是目前应用于核聚变反应堆的首选结构材料。不过当钢在辐照条件下长期服役后，其微观组织在长时间辐照的作用下会产生辐照硬化，从而使其韧性显著降低，韧脆转变温度不断增加。当钢的韧脆转变温度超过室温时，其就有室温发生脆断的风险。所以提高RAFM钢的室温及低温强塑性极其重要。

专利文件CN109457095A公开了一种CLAM钢的强化处理方法，通过非再结晶区轧制和轧后快速冷却工艺可以有效细化钢中的亚晶界和碳化物尺寸，从而使钢的屈服强度和抗拉强度明显提高，然而钢的最大延伸率也相应降低。

专利文件CN117123789A公开了一种耐热抗辐照超细晶粒马氏体钢的制备方法，通过在CLAM钢中添加纳米级的Sc

从上述现有技术来看，细化钢中的亚晶和析出相尺寸可以有效提高钢的屈服及抗拉强度，然而钢的塑性也会相应降低，钢材强塑性之间的不匹配极大限制了其实际应用。传统的等轴晶结构钢中，晶界处较大的原子错配度可以有效阻碍位错的运动从而提升钢的强度。然而晶界对位错的阻碍也很容易造成局部应力集中从而促进裂纹的萌生，使钢的断后延伸率降低。为了改善马氏体钢钢常温/低温屈服强度和塑性性能，亟需开发一种突破现有强塑性矛盾，可以同时提高钢在室温及低温强塑性的新技术。

发明内容

本发明的目的是提出了一种具备优异强塑性的层状结构RAFM钢制备方法，克服现有技术的不足，针对马氏体钢的强塑性矛盾，在钢材内形成与等轴晶粒不同的层状晶界，使应力和裂纹沿晶界方向均匀扩展，避免应力的局部集中，延缓裂纹的萌生与扩展，提高钢材的室温和-196℃低温下的强塑性。

为实现以上技术目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种具备优异强塑性的层状结构RAFM钢制备方法，其特征在于：包括以下步骤：1)将RAFM钢铸锭在1100℃-1200℃下均匀化退火处理2-4h；2)对均匀化退火后钢铸锭进行初次轧制处理，开轧温度为1120-1180℃，经两道次将钢由60-67mm轧至35-40mm，单次压下量为23-26％，终轧温度为1030-1160℃，之后进入待温区暂停轧制；3)对初次轧制后的钢坯进行二次轧制，二次轧制开轧温度为830-870℃，经三道次将钢由35-40mm轧至10-16mm，单次压下量为23-26％，终轧温度为790-850℃，终轧温度低于再结晶温度；4)热轧后超快冷至室温，超快冷工艺为水冷工艺；5)将冷却后钢板在700-730℃回火15-30min，回火后得到具备优异强塑性的层状结构RAFM钢。

所述初次轧制过程：开轧温度为1150℃，终轧温度为1050℃，经两道次轧制将钢由65mm轧至37mm，每道次轧制变形量为25％。

所述二次轧制过程：开轧温度为850℃，终轧温度为800℃，经三道次轧制将钢由37mm轧至15mm，每道次轧制变形量为25％。

所述步骤4)中冷却水温为室温，水压0.35-0.6MPa，水量180-300m

所述层状结构RAFM钢中的层状晶粒尺寸为8-10μm、铁素体亚晶粒尺寸为150-170nm、M

所述层状结构RAFM钢的室温屈服强度为900-980MPa，断后伸长率为25-27％，-196℃屈服强度为1350-1400MPa，断后伸长率为23-26％。

所述RAFM钢为CLAM钢、CLF-1钢、9Cr2WVTa钢、EUROFER97钢、F82H钢或JLF-1钢中的任一种。

与现有技术相比，本发明取得的有益效果在于：

1)本发明的层状晶粒结构马氏体钢在不损失钢塑性的情况下，克服了技术偏见，轧后钢坯不进行固溶处理或高温回火，而是直接在再结晶温度以下进行回火，此温度下，层状晶粒不会发生再结晶形成等轴晶粒，但是马氏体会完全转变为铁素体，碳化物可以充分析出，从而获得具有层状晶粒结构的马氏体钢，这种层状结构有效地抑制了应力和裂纹的局部集中，持续的细化钢的亚晶粒和碳化物尺寸，从而提高钢的强度。

2)本发明的层状马氏体钢室温屈服强度在不损失塑性的情况下较传统等轴CLAM钢提升了40％以上，-196℃低温下塑性和屈服强度较传统等轴CLAM钢则分别最少提升了100％和30％以上。

3)本发明制备的层状晶粒结构RAFM钢的-196℃强塑性匹配超越了目前几乎所有的钢铁材料，其屈服强度也超越了目前的高熵合金，虽然其-196℃塑性低于高熵合金，但是由于其成分中不含Co、Ni等贵金属元素，其原料成本大大低于高熵合金。

附图说明

图1为本发明实施例1中层状CLAM钢的晶粒形貌照片；

图2为本发明实施例1中层状CLAM钢的亚晶粒和M

图3为本发明实施例1中层状CLAM钢与对比例1中传统等轴CLAM钢室温和-196℃工程应力应变曲线对比；

图4为本发明实施例1中层状CLAM钢-196℃下强/塑性和强度/原料成本与目前高熵合金和传统低温钢对比。

具体实施方式

下面将结合具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的具体实施例作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的具体实施例是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些具体实施例获得其他的具体实施例。

通常在此处具体实施例中描述和显示出的本发明实施例的组件可以以无数种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在具体实施例中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。

实施例1

本发明一种具备优异强塑性的层状结构RAFM钢制备方法，具体包括以下步骤：

步骤一：将CLAM钢铸锭在1100℃-1200℃下均匀化退火处理2h；所用CLAM钢的化学成分(wt.％)为：Fe8.91％，Cr1.4％，W0.54％，Mn0.15％，Ta0.15％，V0.09％，C0.06％，Si0.06％。

步骤二：对均匀化退火后钢铸锭进行初次轧制处理，开轧温度为1150℃，经两道次将钢由65mm轧至37mm，单次压下量为25％，终轧温度为1050℃，之后进入待温区暂停轧制。

步骤三：对初次轧制后的钢板进行二次轧制，二次轧制开轧温度为850℃，经三道次将钢由37mm轧至15mm，单次压下量为25％，终轧温度为800℃(低于再结晶温度)。

步骤四：经二次轧制后钢板超快冷却至室温，超快冷工艺为水冷工艺，其中水温为室温，水压不低于0.4MPa，水量不少于200m

步骤五：将轧制后钢在700℃回火15min，回火后最终得到一种具备优异强塑性的层状结构CLAM钢，钢的层状晶粒形貌如图1所示，亚晶和M

实施例2

本发明一种具备优异强塑性的层状结构RAFM钢制备方法，具体包括以下步骤：

步骤一：将CLAM钢铸锭在1160℃-1200℃下均匀化退火处理3h；所用CLAM钢的化学成分(wt.％)为：Fe8.91％，Cr1.4％，W0.54％，Mn0.15％，Ta0.15％，V0.09％，C0.06％，Si0.06％。

步骤二：对均匀化退火后钢铸锭进行热轧处理，开轧温度为1120℃，经两道次将钢由65mm轧至37mm，单次压下量为23％，终轧温度为1040℃，之后进入待温区暂停轧制。

步骤三：对初轧后的钢进行二次轧制，二次轧制开轧温度为830℃，经三道次将钢由37mm轧至15mm，单次压下量为23％，终轧温度为790℃(低于再结晶温度)。

步骤四：经五道次热轧后超快冷却至室温，超快冷工艺为水冷工艺，其中水温为室温，水压不低于0.4MPa，水量不少于200m

步骤五：将轧制后钢在715℃回火30min，回火后最终得到一种具备优异强塑性的层状结构CLAM钢，对层状结构CLAM钢中的层状晶粒尺寸、铁素体亚晶粒尺寸、M

实施例3

本发明一种具备优异强塑性的层状结构RAFM钢制备方法，具体包括以下步骤：

步骤一：将CLAM钢铸锭在1100℃-1180℃下均匀化退火处理4h；所用CLAM钢的化学成分(wt.％)为：Fe8.91％，Cr1.4％，W0.54％，Mn0.15％，Ta0.15％，V0.09％，C0.06％，Si0.06％。

步骤二：对均匀化退火后钢铸锭进行热轧处理，开轧温度为1160℃，经两道次将钢由65mm轧至37mm，单次压下量为24％，终轧温度为1060℃，之后进入待温区暂停轧制。

步骤三：对初轧后的钢进行二次轧制，二次轧制开轧温度为860℃，经三道次将钢由37mm轧至15mm，单次压下量为24％，终轧温度为810℃(低于再结晶温度)。

步骤四：经五道次热轧后超快冷却至室温，超快冷工艺为水冷工艺，其中水温为室温，水压不低于0.4MPa，水量不少于200m

步骤五：将轧制后钢在730℃回火15min，回火后最终得到一种具备优异强塑性的层状结构CLAM钢，对层状结构CLAM钢中的层状晶粒尺寸、铁素体亚晶粒尺寸、M

实施例4

本发明一种具备优异强塑性的层状结构RAFM制备方法，具体包括以下步骤：

步骤一：将CLF-1钢铸锭在1190℃-1200℃下均匀化退火处理2h；所用CLF-1钢的化学成分(wt.％)为：Fe9％，Cr1.5％，W0.3％，Mn0.08％，Ta0.3％，V0.12％，C0.12％。

步骤二：对均匀化退火后钢铸锭进行热轧处理，开轧温度为1180℃，经两道次将钢由65mm轧至37mm，单次压下量为24％，终轧温度为1060℃，之后进入待温区暂停轧制。

步骤三：对初轧后的钢进行二次轧制，二次轧制开轧温度为870℃，经三道次将钢由37mm轧至15mm，单次压下量为26％，终轧温度为850℃(低于再结晶温度)。

步骤四：经五道次热轧后超快冷却至室温，超快冷工艺为水冷工艺，其中水温为室温，水压不低于0.4MPa，水量不少于200m

步骤五：将轧制后钢在720℃回火20min，回火后最终得到一种具备优异强塑性的层状结构CLF-1钢，对层状结构CLF-1钢中的层状晶粒尺寸、铁素体亚晶粒尺寸、M

实施例5

本发明一种具备优异强塑性的层状结构RAFM制备方法，具体包括以下步骤：

步骤一：将9Cr2WVTa钢铸锭在1120℃-1190℃下均匀化退火处理2h；所用9Cr2WVTa钢的化学成分(wt.％)为：Fe9％，Cr2％，W0.5％，Mn0.08％，Ta0.25％，V0.1％，C0.1％。

步骤二：对均匀化退火后钢铸锭进行热轧处理，开轧温度为1170℃，经两道次将钢由65mm轧至37mm，单次压下量为24％，终轧温度为1150℃，之后进入待温区暂停轧制。

步骤三：对初轧后的钢进行二次轧制，二次轧制开轧温度为860℃，经三道次将钢由37mm轧至15mm，单次压下量为23％，终轧温度为810℃(低于再结晶温度)。

步骤四：经五道次热轧后超快冷却至室温，超快冷工艺为水冷工艺，其中水温为室温，水压不低于0.4MPa，水量不少于200m

步骤五：将轧制后钢在710℃回火25min，回火后最终得到一种具备优异强塑性的层状结构9Cr2WVTa钢，对层状结构9Cr2WVTa钢中的层状晶粒尺寸、铁素体亚晶粒尺寸、M

实施例6

本发明一种具备优异强塑性的层状结构RAFM制备方法，具体包括以下步骤：

步骤一：将EUROFER97钢铸锭在1150℃-1200℃下均匀化退火处理2h；所用EUROFER97钢的化学成分(wt.％)为：Fe8.7％，Cr1％，W0.45％，Mn0.1％，Ta0.20％，V0.1％，C0.1％。

步骤二：对均匀化退火后钢铸锭进行热轧处理，开轧温度为1160℃，经两道次将钢由65mm轧至37mm，单次压下量为23％，终轧温度为1060℃，之后进入待温区暂停轧制。

步骤三：对初轧后的钢进行二次轧制，二次轧制开轧温度为840℃，经三道次将钢由37mm轧至15mm，单次压下量为26％，终轧温度为790℃(低于再结晶温度)。

步骤四：经五道次热轧后超快冷却至室温，超快冷工艺为水冷工艺，其中水温为室温，水压不低于0.4MPa，水量不少于200m

步骤五：将轧制后钢在710℃回火20min，回火后最终得到一种具备优异强塑性的层状结构EUROFER97钢，对层状结构EUROFER97钢中的层状晶粒尺寸、铁素体亚晶粒尺寸、M

实施例7

本发明一种具备优异强塑性的层状结构RAFM制备方法，具体包括以下步骤：

步骤一：将F82H钢铸锭在1130℃-1150℃下均匀化退火处理2h；所用F82H钢的化学成分(wt.％)为：Fe8％，Cr2％，W0.45％，Mn0.05％，Ta0.20％，V0.1％，C0.1％；

步骤二：对均匀化退火后钢铸锭进行热轧处理，开轧温度为1140℃，经两道次将钢由65mm轧至37mm，单次压下量为23％，终轧温度为1040℃，之后进入待温区暂停轧制。

步骤三：对初轧后的钢进行二次轧制，二次轧制开轧温度为850℃，经三道次将钢由37mm轧至15mm，单次压下量为23％，终轧温度为800℃(低于再结晶温度)。

步骤四：经五道次热轧后超快冷却至室温，超快冷工艺为水冷工艺，其中水温为室温，水压不低于0.4MPa，水量不少于200m

步骤五：将轧制后钢在720℃回火25min，回火后最终得到一种具备优异强塑性的层状结构F82H钢，对层状结构F82H钢中的层状晶粒尺寸、铁素体亚晶粒尺寸、M

实施例8

本发明一种具备优异强塑性的层状结构RAFM钢制备方法，具体包括以下步骤：

步骤一：将JLF-1钢铸锭在1120℃-1190℃下均匀化退火处理2h；所用JLF-1钢的化学成分(wt.％)为：Fe8.8％，Cr2％，W0.45％，Mn0.08％，Ta0.20％，V0.1％，C0.1％；

步骤二：对均匀化退火后钢铸锭进行热轧处理，开轧温度为1120℃，经两道次将钢由65mm轧至37mm，单次压下量为23％，终轧温度为1050℃，之后进入待温区暂停轧制。

步骤三：对初轧后的钢进行二次轧制，二次轧制开轧温度为830℃，经三道次将钢由37mm轧至15mm，单次压下量为24％，终轧温度为810℃(低于再结晶温度)。

步骤四：经五道次热轧后超快冷却至室温，超快冷工艺为水冷工艺，其中水温为室温，水压不低于0.4MPa，水量不少于200m

步骤五：将轧制后钢在720℃回火18min，回火后最终得到一种具备优异强塑性的层状结构JLF-1钢，对层状结构JLF-1钢中的层状晶粒尺寸、铁素体亚晶粒尺寸、M

对比例

传统等轴结构的CLAM钢制备方法，步骤一：将CLAM钢铸锭在1200℃保温2h；

步骤二：对均匀化退火后钢铸锭进行热轧处理，开轧温度为1150℃，经两道次将钢由65mm轧至37mm，单次压下量为25％，终轧温度为1050℃，之后进入待温区暂停轧制。

步骤三：对初轧后的钢进行二次轧制，二次轧制开轧温度为850℃，经三道次将钢由37mm轧至15mm，单次压下量为25％，终轧温度为800℃(低于再结晶温度)。

步骤四：经五道次热轧后超快冷却至室温，超快冷工艺为水冷工艺，其中水温为室温，水压不低于0.4MPa，水量不少于200m

步骤五：将轧制后钢在980℃固溶30min后水淬至室温，之后在730℃回火30min。

对比例最终得到一种具有传统等轴结构的CLAM钢，其固溶处理过程使钢材没有形成层状结构，对传统等轴结构CLAM钢中的层状晶粒尺寸、铁素体亚晶粒尺寸、M

表1

表2