托卡马克装置超导磁体保护套用极低温钢及其制备方法与流程

1.本发明属于钢铁材料技术领域，具体涉及一种托卡马克装置超导磁体保护套用极低温钢及其制备方法。


背景技术：

2.随着现代社会的发展，人类对能源的需求也日益增多。传统的石化能源储量有限，不可再生，且污染大，对环境破坏严重。可控核聚变的主要燃料为氢的同位素，可从海水中获取，具有储量丰富、效率高的特点。实现可控核聚变是人类梦寐以求的新能源，也是解决人类能源匮乏的有效途径。iter(国际热核聚变实验堆)装置是一个能产生大规模核聚变反应的超导托卡马克装置，俗称“人造太阳”。发展可控核能具有广阔的发展前景。
3.托克马克装置在工作时会产生巨大的电流，为了降低电流发热，避免对系统的不良影响，使用超导材料成为最佳的选择。聚变堆超导磁体的首选材料为nb3sn类金属间化合物，超导磁体的制备需要使用无磁的金属包套包裹nb3sn进行一定的预变形和超长时间的(650
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240h)时效处理，同时为了实现超导的性能，服役温度为超超低温4.2k。这就对超导磁体的金属外套材料提出了近乎苛刻的要求，需要具备无磁、高强韧性、抗时效脆化等优良性能，其时效后4.2k下具体的力学性能要求为屈服强度(ys)≥850mpa，抗拉强度(uts)≥1150mpa，延伸率(el)≥25％，断裂韧性(k
ic
)≥130mpa√m。
4.长期以来，这类超导磁体的外壳包套通常使用361ln、jk2lb等奥氏体不锈钢，但是这类不锈钢需要添加大量的cr、ni、mo等贵重金属，一方面会导致严重的敏化脆性问题，影响极低温使用性能；另一方面，大量贵重金属的使用也造成了成本、资源的消耗。因此开发新型的极低温(4.2k)用无磁材料成为发展的必然趋势。
5.在开发的新型极低温用材料中，高锰奥氏体钢具有良好的低温塑性、低热膨胀系数和低周疲劳性能等优良性能而受到广泛的关注。同时，高锰奥氏体钢使用mn元素稳定奥氏体，获得的单相奥氏体，不具备韧脆转变现象，在低温材料应用方面具有得天独厚的优势；同时，廉价的mn元素的使用极大地降低了合金成本，也有效避免了敏化脆性的问题。
6.现有关于高锰奥氏体钢的使用都集中于77k的液氮温度条件下，随着使用温度降低至4.2k，服役条件更加苛刻。奥氏体稳定性降低、强烈的动态应变时效等问题的出现也对高锰奥氏体钢的性能提出了高的要求，这需要对高锰奥氏体钢的成分设计和加工工艺进一步的调整和优化。


技术实现要素：

7.针对现有托卡马克装置超导磁体保护套用材料成本过高、性能不足的问题，本发明提供了一种应用于托卡马克装置超导磁体保护套的高锰型极低温(4.2k)用钢的设计及其制备方法。本发明中的高锰钢采用fe-mn-al-c系的成分设计，一方面通过添加适量的mn、al元素提高钢材的层错能，增强奥氏体稳定性，提高4.2k下的极低温塑性；另一方面，al元素添加可以有效抑制晶界元素偏聚，提高晶界结合强度，抑制时效脆性。结合控制冷却与控
制轧制工艺和后续的热处理获得单相的奥氏体组织，满足极低温环境下对结构材料的无磁、高强韧性的要求。
8.一种托卡马克装置超导磁体保护套用极低温钢，其化学成分按重量百分比为：c0.30～0.61％，si 0.12～0.64％，mn 16.8～25.2％，al 2.0～6.1％，p≤0.032％，s≤0.017％，余量为fe和不可避免的杂质。
9.所述的托卡马克装置超导磁体保护套用极低温钢厚度为12～35mm，组织为等轴奥氏体晶粒。
10.所述的托卡马克装置超导磁体保护套用极低温钢经预应变与时效处理后，经检测，4.2k温度下低温钢沿轧向的屈服强度(ys)为860～1200mpa，抗拉强度(uts)为1155～1570mpa，延伸率(el)为25.5～42.5％，断裂韧性k
ic
(j)为135～270mpa√m。
11.所述的托卡马克装置超导磁体保护套用极低温钢经预应变与时效处理，具体过程为：
12.(1)预应变：
13.在室温下，对托卡马克装置超导磁体保护套用极低温钢进行预应变拉伸处理；
14.(2)时效处理：
15.将预应变处理后的高锰钢随炉加热至580～680℃进行时效处理；
16.(3)冷却：
17.将时效处理后的高锰钢淬火至室温，完成预应变与时效处理。
18.所述的步骤(1)中，拉伸处理的预应变为4～15％。
19.所述的步骤(2)中，时效处理时间为180～260h。
20.所述的托卡马克装置超导磁体保护套用极低温钢的制备方法，具体步骤如下：
21.步骤1，铸造：
22.按照托卡马克装置超导磁体保护套用极低温钢成分配比进行冶炼，将获得的钢水浇注到铁/铜模中，得到方形铸锭；
23.步骤2，轧制：
24.方形铸锭经加热均质化处理后，进行控制轧制，得到热轧钢材；
25.步骤3，热处理：
26.将热轧钢材冷却至室温后，1000～1200℃下进行保温热处理操作后，水冷至室温，制得托卡马克装置超导磁体保护套用极低温钢。
27.所述步骤1中，采用真空感应炉进行冶炼，冶炼温度为1650℃。
28.所述步骤1中，方形薄铸锭的厚度为42～78mm。
29.所述的步骤2中，均质化处理温度为1100～1200℃，保温时间为2～4h。
30.所述的步骤2中，轧制开轧温度为1050～1150℃，终轧温度为900～1050℃，总压下率为52～82％。
31.所述步骤2中，热轧钢材的厚度为6～35mm。
32.所述的步骤2中，轧制的单道次压下量为13～32％。
33.所述的步骤3中，热轧钢材冷却的开冷温度为880～980℃。
34.所述的步骤3中，热轧钢材冷却速度为20～40℃/s。
35.所述的步骤3中，热处理在电阻炉中进行，热处理时间为30～120min。
36.本发明的有益效果：
37.1.本发明工艺制备的具有优异的极低温强塑性，预应变 时效处理后，在4.2k下屈服强度(ys)为860～1200mpa，抗拉强度(uts)为1155～1570mpa，延伸率(el)为25.5～42.5％，断裂韧性k
ic
(j)为135～270mpa√m，远远高于聚变堆超导磁体保护套材料的力学性能要求，其4.2k下综合力学性能优于316ln、jk2lb等现有极低温用钢；
38.2.采用fe-mn-al-c的成分设计，与传统应用于4.2k温度的钢材相比，采用廉价的mn元素稳定奥氏体，避免了ni、mo、cr等贵重金属的添加，大幅度降低了合金成本，相比于316ln、jk2lb等极低温用钢合金成本可降低60％以上；
39.3.该方法的工艺窗口宽，对轧后冷却速率要求低，对设备的控制精度要求低，可满足不同钢厂的生产条件，经过简单的热轧和后续热处理即可达到优异的超低温力学性能。在核聚变反应堆的超导磁体、航天飞船液氢液氧储箱等极低温领域具有广阔的应用前景。
附图说明
40.图1本发明实施例1制备的托卡马克装置超导磁体保护套用极低温钢的光学显微组织图；
41.图2本发明实施例2制备的托卡马克装置超导磁体保护套用极低温钢的光学显微组织图；
42.图3本发明实施例3制备的托卡马克装置超导磁体保护套用极低温钢的光学显微组织图。
具体实施方式
43.以下实施例中均采用真空感应炉进行熔炼，在450mm二辊可逆热轧实验轧机上进行轧制。
44.实施例1-8
45.实施例的托卡马克装置超导磁体保护套用极低温钢，其化学成分按重量百分比为：c：0.30～0.61％，si：0.12～0.64％，mn：16.8～25.2％，al：2.0～6.1％，p≤0.032％，s≤0.017％，余量为fe和不可避免的杂质。各实施例具体的化学成分如表1所示。
46.托卡马克装置超导磁体保护套用极低温钢的制备方法，步骤如下：
47.步骤1，铸造：
48.按照托卡马克装置超导磁体保护套用的高锰钢的成分配比进行冶炼，将获得的钢水浇注到铜模中，得到厚度为73mm方形薄铸锭；
49.步骤2，加热：
50.将方形铸锭重新加热至1100～1200℃，并保温2～4h进行均质化处理；
51.步骤3，轧制：
52.加热后的铸锭进行完全再结晶区控制轧制，开轧温度、终轧温度、总压下率如表1所示，得到热轧钢材，热轧钢材的厚度为6～35mm，各实施例具体厚度如表3所示；
53.步骤4，冷却：
54.将热轧钢材水冷室温，开冷温度、冷却速度、终冷温度如表2所示，得到托卡马克装置超导磁体保护套用的高锰钢板。
55.步骤5，热处理：
56.将轧态的钢板置于1000～1200℃的电阻炉中保温30～120min后，水冷至室温，制得托卡马克装置超导磁体保护套用高锰型极低温钢，其中，实施例1制备的托卡马克装置超导磁体保护套用极低温钢的光学显微组织图如图1所示，实施例2制备的托卡马克装置超导磁体保护套用极低温钢的光学显微组织图如图2所示，实施例3制备的托卡马克装置超导磁体保护套用极低温钢的光学显微组织图如图3所示。。
57.此外，为配合超导磁体材料nb3sn的制备过程，该高锰钢极低温钢应用于托卡马克装置超导磁体保护套时还需经过以下的模拟使用过程：
58.步骤6，预应变：
59.在室温下，对高锰钢进行4～15％的预应变拉伸处理；
60.步骤7，时效处理：
61.将预应变处理后的高锰钢随炉加热至580～680℃时效处理180～260h；
62.步骤8，冷却：
63.将时效处理后的高锰钢进行淬火处理，完成使用过程模拟后，对其进行性能测试，经检测，其4.2k下的拉伸性能如表4所示。
64.表1化学成分按重量百分比(％)
[0065][0066]
表2热轧板热加工工艺(％)
[0067]
例均质化开轧终轧总压下率开冷终冷冷速保温热处理11200,2109099982940室温291200,12021200,31100102061950室温301200,10031200,2107099080925室温261200,10041150,3113092075895室温211150,13051150,2110090058885室温321100,12061200,2114095067925室温281200,11071100,4106091072890室温391150,13081100,21080103078980室温291100,150
[0068]
上述表2中，加热均质化单位为℃,h，开轧、终轧与开冷单位为℃，总压下率单位为％，冷速为℃/s，保温热处理单位为℃，min。
[0069]
表3热轧钢材成品厚度
[0070]
实施例12345678热轧钢材厚度，mm615321213201215
[0071]
表4极低温钢预应变 时效后4.2k下的力学性能
[0072]
实施例ys/mpa858～1197uts/mpa1155～1568el/％25.2～42.4k
ic
/j132～2661860120542.41862935127525.513531120148034.226041200157029.82065930130026.516061090151040.11987920132032.11658900119025.4145