新一代核聚变工程用超低温高强韧无磁不锈钢研发

【作者】 王长军； 梁剑雄； 刘雨； 张梦醒； 杨志勇； 刘振宝； 孙永庆； 褚韦涵；

【机构】 钢铁研究总院有限公司；

【摘要】 国家"十四五"规划和2035年远景目标纲要都明确提出了核聚变工程实验堆是关系到我国能源保障的重大科学装置,也是世界大国之间竞争的重要战略资源。相比于国际热核聚变实验堆(ITER),中国新一代聚变工程实验堆,其超导磁体最高磁场20T和电磁力1400kN/m,分别超过ITER实验堆54%和75%,ITER通用类低温结构材料已无法满足工程要求,因此研发新一代核聚变工程用高强韧无磁不锈钢已迫在眉睫。笔者及其团队近年来针对中国新一代聚变工程关键结构部件(线圈盒、铠甲)的设计需求,针对超低温、强磁场环境下合金"强/韧/塑性"难以协调及组织稳定性差等关键科学问题,开展了超低温高强韧特种合金设计、多相组织精确调控、多元强/韧/塑协同控制机理等研究工作。主要研究结果有:(1)通过材料计算学仿真与试验钢验证,成功开发了新一代聚变工程用GY50G高强韧抗敏化无磁钢板,其4.2K温度下屈服强度≥1500MPa,抗拉强度≥1800MPa,伸长率>25%,KIC>150MPa·m1/2,裂纹扩展速率优于ITER级316LN。(2)采用传统的"电炉+炉外精炼+电渣重熔"低成本冶炼装备,通过冶金工艺仿真+四元渣系优化+梯度扩散脱氧等技术手段,攻破了超低碳(C≤0.01%)、控氮(N:0.3～0.4%)、超纯净(P≤0.01%、S≤0.005%、Al≤0.002%、O≤20ppm)冶炼工艺,单炉组批能力≥40吨/批次,并实现了工业化稳定批产。(3)通过高温组织调控+热变形仿真+控温均细化锻造等技术手段,完成了6吨级大锻件(δ260×5000mm)的均细化锻造,厚度中心区晶粒度达到3级以上,解决了控氮型奥氏体无磁不锈钢大锻件可锻性差,热塑性区间窄的热成形开裂问题。(4)基本阐明了GY50G钢在4.2K超低温环境下的强/韧/塑性协同控制机制,强度的主控单元为N的间隙固溶强化与细晶强化,塑韧性的主控单元为低温变形过程中产生的纳米级孪晶增韧。基于以上研究结果,结合我国控氮奥氏体无磁不锈钢生产工艺路线,开发了"多场耦合服役环境下高强韧无磁特种合金设计"、"低成本/大吨位超低碳控氮超纯冶炼技术"、"控氮型高强韧合金的防开裂大锻件均细化锻造技术"、"多元强/韧/塑机制协同与形/性稳定性控制技术"等系列自主知识产权技术,在长城特钢、久立特材、上重铸锻等重要板、棒、管、锻件生产企业得到应用。新研发的GY50G高强韧无磁不锈钢,相比于ITER级316LN不锈钢而言,其4.2K下的屈服强度提升近50%,达到了国际领先水平,并已开始承担工程建设任务,产生了显著的社会价值与经济效益。更多还原