铅铋快堆燃料组件用不锈钢包壳管材料及其制备方法

1.本发明涉及核材料技术领域，尤其涉及一种铅铋快堆燃料组件用不锈钢包壳管及其制备方法。

背景技术：

2.燃料组件是铅基反应堆最为核心的部件之一，工作环境苛刻。因其与液态铅基冷却剂直接接触，这就要求燃料组件结构材料不仅要耐高温、抗辐照，还应具有优异的抗液态金属腐蚀性能。15cr-15ni系列含ti奥氏体不锈钢组织稳定性好、加工性能优异、使用温度高、抗辐照损伤剂量最大可达150dpa，具有良好的应用前景，是铅基快堆包壳管的主要候选结构材料之一。但目前15-15ti合金的应用经验大多来自于钠冷快堆。与钠冷快堆相比，铅基快堆所用的冷却剂(铅和铅铋共晶合金)具有更强的腐蚀性。因此，若作为铅基快堆包壳管材料，15-15ti合金的耐液态金属腐蚀性能还需进行进一步的优化和提高。

3.为了提高15-15ti奥氏体不锈钢的抗腐蚀性能，普遍采用通过调整或添加si、ti、mn、al等合金元素成分来改善。为了改善铅铋腐蚀性能的材料成分设计往往会影响材料的其他重要性能如力学性能、辐照组织稳定性等。国内外对15-15ti成分范围尚未统一，需要开发一种在不影响力学性能、焊接性能等重要结构材料特性的基础上，满足铅基反应堆燃料组件用的具有耐蚀性、组织均匀、表面质量优良的不锈钢包壳管材料及其制备方法。

技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题在于，针对上述现有技术的缺陷，提供一种铅铋快堆燃料组件用不锈钢包壳管及其制备方法。

5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种铅铋快堆燃料组件用不锈钢包壳管材料，包括元素fe、cr、ni、mn、ti、mo、al、c、si、b，其中它们在材料中的质量百分比分别为：0.04％≤c≤0.08％、15.0％≤cr≤17.0％、14.0％≤ni≤16.0％、0.3％≤si≤0.5％、1.0％≤mn≤1.2％、0.2％≤ti≤0.5％、1.3％≤mo≤1.5％、0.003％≤b≤0.004％、0≤al≤0.3％，且ti和c的质量百分含量之比ti/c为(4-6):1；余量为fe。

6.优选地，不锈钢包壳管材料的全部杂质元素的总质量百分含量不高于0.03％；所述杂质元素中，p的质量百分比不高于0.01％、n的质量百分比不高于0.003％、s的质量百分比不高于0.0015％、o的质量百分比不高于0.0015％。

7.一种铅铋快堆燃料组件用不锈钢包壳管材料的制备方法，包括以下步骤：

8.s1、称料：以多晶硅、镍板、纯铁、钼条、金属铬、碳、金属铝、余硅、金属锰、硼铁合金和海绵钛为原料，其中硼铁合金中硼元素的质量百分比为15-20％；原料之间的配比满足其元素的质量百分比：0.04％≤c≤0.08％、15.0％≤cr≤17.0％、14.0％≤ni≤16.0％、0.3％≤si≤0.5％、1.0％≤mn≤1.2％、0.2％≤ti≤0.5％、1.3％≤mo≤1.5％、0.003％≤b≤0.004％、0≤al≤0.3％，且ti和c的质量百分含量之比ti/c为(4-6):1；余量为fe；多晶硅和余硅的质量百分比之和为0.3-0.5％；

9.s2、真空感应熔炼：先将多晶硅、镍板、纯铁、钼条和金属铬装于反应容器中，抽真空并进行精炼；再加入碳、金属铝，待其熔化后停止送电，通入保护气，重新送电，第一预设温度下加入余硅、金属锰、硼铁合金和海绵钛，搅拌后调整钢液温度至第二预设温度并向模具内浇注，得到合金铸锭初体；

10.s3、真空电弧自耗重熔：将所述s2步骤得到的合金铸锭初体的缩孔部位切除，并进行真空电弧自耗重熔，得到自耗重熔铸锭；

11.s4、锻造：将所述s3步骤得到的自耗重熔铸锭进行镦粗-拔长和均匀化处理，得到合金锻棒；

12.s5、管材轧制：将所述s4步骤得到的合金锻棒加工制成管坯，并进行多道次冷轧和热处理，最后进行预变形冷轧，得到不锈钢包壳管。

13.优选地，所述s2步骤中，抽真空至真空度≤5.0pa，在1300-1700℃下精炼10-20min。

14.优选地，所述s2步骤中，所述保护气为氩气；所述第一预设温度为1350-1400℃；所述第二预设温度为1500-1550℃。

15.优选地，所述s3步骤中，缩孔部位切除50-80mm。

16.优选地，所述s4步骤中，先进行20-40％镦粗-拔长预变形和均匀化处理，再进行镦粗-拔长2-5次，终变形量为30-40％；其中，所述均匀化处理的温度为1150-1200℃，且所述均匀化处理的保温时间为11-12h。

17.优选地，所述s4步骤中，所述合金锻棒的直径为45-55mm；所述s5步骤中，所述管坯的外径为40-50mm、壁厚为4-5mm。

18.优选地，所述s5步骤中，冷轧前对所述管坯进行固溶处理，其中，所述固溶处理的温度为1050-1100℃，其中，所述固溶处理的时间为20-40min。

19.优选地，所述s5步骤中，所述冷轧道次为8-15道；所述预变形冷轧的变形量为15-25％，送进量为1-2mm/min。

20.优选地，所述s5步骤中，所述热处理包括中间热处理和最终热处理；其中，所述中间热处理的温度为1050-1100℃，所述中间热处理的时间为10-30min；所述最终热处理的温度为1030-1080℃，所述最终热处理的时间为8-15min。

21.本发明的有益效果：

22.本发明提出一种铅铋快堆燃料组件用不锈钢包壳管材料，通过降低mn含量、调整al含量以及严格控制n含量，提高合金铸锭的组织均匀性，提高不锈钢包壳管材料的抗氧化性并减少材料中的夹杂物。

23.本发明提出一种铅铋快堆燃料组件用不锈钢包壳管材料的制备方法，该方法能够更加准确地控制不锈钢包壳管材料的化学元素含量，更好的降低杂质元素的含量，提高材料的组织均匀性与冷热加工性能。其中，采用多次墩拔变形和均匀化处理的方法进行锻造，确保消除铸锭在凝固过程中的偏析，获得无条带组织和宏观缺陷的优良变形组织。本发明的不锈钢包壳管材料具有良好的室温、高温力学性能和优异的耐铅铋液态金属腐蚀性能，能够更好地满足铅铋快堆燃料组件的选材需求。

附图说明

24.下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

25.图1为本发明实施例1的合金锻棒的显微组织图；

26.图2为本发明实施例2的合金锻棒的显微组织图；

27.图3为本发明实施例1的不锈钢包壳管的显微组织图；

28.图4为本发明实施例2的不锈钢包壳管的显微组织图；

29.图5为本发明实施例1的铅铋腐蚀试验结果图；

30.图6为本发明实施例2的铅铋腐蚀试验结果图；

31.图7为不锈钢15-15ti的铅铋腐蚀试验结果图。

具体实施方式

32.为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，下面将结合实施例对本发明做进一步详述，本实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。

33.一种铅铋快堆燃料组件用不锈钢包壳管材料，包括元素fe(铁)、cr(铬)、ni(镍)、mn(锰)、ti(钛)、mo(钼)、al(铝)、c(碳)、si(硅)、b(硼)，其中它们在材料中的质量百分比分别为：0.04％≤c≤0.08％、15.0％≤cr≤17.0％、14.0％≤ni≤16.0％、0.3％≤si≤0.5％、1.0％≤mn≤1.2％、0.2％≤ti≤0.5％、1.3％≤mo≤1.5％、0.003％≤b≤0.004％、0≤al≤0.3％，且ti和c的质量百分含量之比ti/c为(4-6):1；余量为fe。

34.需要说明的是，ti和c的质量百分含量之比ti/c为(4-6):1，即，ti/c可以为4:1、4.5:1、4.67:1、5:1、5.6:1、6:1等，在此不做限制。此外，余量元素是指不锈钢原料中除cr、ni、mn、ti、mo、al、c、si和b以外的元素，即不锈钢包壳管材料的基本金属元素fe。

35.不锈钢包壳管材料的全部杂质元素的总质量百分含量不高于0.03％；杂质元素中，p(磷)的质量百分比不高于0.01％、n(氮)的质量百分比不高于0.003％、s(硫)的质量百分比不高于0.0015％、o(氧)的质量百分比不高于0.0015％。其中，p、n、s和o的质量百分比控制在对应范围内即可，在此不作具体限定。

36.mn元素是一种稳定奥氏体的元素，可稳定合金的单相奥氏体基体，并提高合金的拉伸塑性，但mn元素挥发性强，在冶炼过程中容易形成成分波动，含量不适宜过高。因此，为了提高合金铸锭的组织均匀性同时不影响其合金性能，本发明中mn元素的质量百分比为1.0-1.2％。

37.为了提高不锈钢包壳管材料的抗氧化性，本发明添加al元素，其质量百分比为0-0.3％。

38.n元素是夹杂物tin的主要来源，本发明的n含量严格控制在质量百分比为0.003％以下，减少夹杂物数量，从而提高不锈钢包壳管材料的性能。

39.一种上述铅铋快堆燃料组件用不锈钢包壳管材料的制备方法，包括以下步骤：

40.s1、称料：以多晶硅、镍板、纯铁、钼条、金属铬、碳、金属铝、余硅、金属锰、硼铁合金和海绵钛为原料，原料之间的配比满足其元素的质量百分比：0.04％≤c≤0.08％、15.0％≤cr≤17.0％、14.0％≤ni≤16.0％、0.3％≤si≤0.5％、1.0％≤mn≤1.2％、0.2％≤ti≤0.5％、1.3％≤mo≤1.5％、0.003％≤b≤0.004％、0≤al≤0.3％，且ti和c的质量百分含量之比ti/c为(4-6):1；余量为fe。

41.其中，硼铁合金中硼元素的质量百分比为15-20％；在计算纯铁的用量时，首先根据不锈钢包壳管材料中硼的质量百分比为0.003-0.004％计算硼铁合金的用量，进而确定硼铁合金中铁元素的含量，最后计算纯铁的用量。

42.多晶硅和余硅的质量百分比之和为0.3-0.5％。

43.s2、真空感应熔炼：先将多晶硅、镍板、纯铁、钼条和金属铬装于反应容器中，抽真空并进行精炼；再加入碳、金属铝，待其熔化后停止送电，通入保护气，重新送电，在第一预设温度下加入余硅、金属锰、硼铁合金和海绵钛，搅拌后调整钢液温度至第二预设温度并向模具内浇注，得到合金铸锭初体。

44.优选地，上述步骤中，在第一次加入原材料后，可以抽真空至真空度≤5.0pa，在1300-1700℃下精炼10-20min。在再次加入材料后，可以将氩气做为保护气通入，并且第一预设温度可以是1350-1400℃，第二预设温度可以是1500-1550℃。

45.具体地，真空感应熔炼：先将多晶硅、镍板、纯铁、钼条和铬装于真空感应炉的坩埚中，合炉抽真空至真空度≤5.0pa(此处真空度≤5.0pa即可，不对其进行限定)，在1300-1700℃下精炼10-20min；再加入碳、铝，待其熔化后停止送电，通入保护气氩气，重新送电，在1350-1400℃下加入余硅、锰、硼铁合金和海绵钛，搅拌后调整钢液温度至1500-1550℃，并向模具内浇注，得到合金铸锭初体。

46.在熔炼过程中，多晶硅分两次加入，第一次加入是为了脱氧，第二次加入是为了更好地控制不锈钢材料中si的含量。为避免金属原料在熔炼过程中发生反应，保护气选择惰性气体，考虑到熔炼效果和经济性，本发明选择氩气作为保护气。在氩气、较低的第一预设温度(1350-1400℃)的状态下金属原料损耗小，不易发生氧化；且由于环境压力大，钢液不容易溢出，方便控制不锈钢的含量。

47.s3、真空电弧自耗重熔：将所述s2步骤得到的合金铸锭初体的缩孔部位切除，并进行真空电弧自耗重熔，得到自耗重熔铸锭。

48.优选地，上述步骤中，缩孔部位切除50-80mm。

49.具体地，真空电弧自耗重熔：将所述s2步骤得到的合金铸锭初体的缩孔部位切除50-80mm，作为重熔电极在自耗炉进行真空电弧自耗重熔，得到自耗重熔铸锭。铸锭冷却后进行头尾切除、表面扒皮和切分处理。头尾切除目的在于去除钢锭缩孔及材质不致密部分，扒皮处理表面缺陷为后续锻造提供良好条件，切分处理是为了便于锻造，获得更加均匀的变形组织。头尾切除、表面扒皮和切分处理均为现有技术，在此不再赘述。

50.s4、锻造：将所述s3步骤得到的自耗重熔铸锭进行镦粗-拔长和均匀化处理，得到合金锻棒。

51.优选地，上述步骤中，先进行20-40％镦粗-拔长预变形和均匀化处理，再进行镦粗-拔长2-5次，终变形量为30-40％；其中，均匀化处理的温度为1150-1200℃，且均匀化处理的保温时间为11-12h。

52.具体地，锻造：将所述s3步骤得到的自耗重熔铸锭先进行20-40％镦粗-拔长预变形，随后在1150-1200℃下进行均匀化处理，保温时长为11-12h，重复进行墩拔2-5次，墩拔终变形量为30％-40％，得到直径为45-55mm的合金锻棒；该锻棒不存在条带状分布的碳化物和细晶带组织，且晶粒度大于3级。

53.s5、管材轧制：将所述s4步骤得到的合金锻棒加工制成管坯，并进行多道次冷轧和

热处理，最后进行预变形冷轧，得到不锈钢包壳管。

54.优选地，将合金锻棒加工制成的外径为40-50mm、壁厚为4-5mm的管坯。在上述步骤中，冷轧的道次为8-15道；预变形冷轧的变形量为15-25％，送进量为1-2mm/min；并且热处理包括中间热处理和最终热处理，其中，中间热处理的温度为1050-1100℃，中间热处理的时间为10-30min；最终热处理的温度为1030-1080℃，最终热处理的时间为8-15min。

55.进一步地，在进行冷轧前还会对管坯进行固溶处理，其中，固溶处理的温度为1050-1100℃，固溶处理的时间为20-40min。

56.具体地，管材轧制：将所述s4步骤得到的合金锻棒加工制成外径为40-50mm、壁厚为4-5mm的管坯，并在气氛保护炉中进行1050-1100℃的固溶处理，处理时间为20-40min；随后进行8-15道次冷轧变形，中间热处理温度为1050-1100℃，时间为10-30min，最终热处理在气氛保护辊式连续热处理炉中进行，处理温度为1030-1080℃，时间为8-15min；预变形冷轧的变形量为15-25％，送进量为1-2mm/min，最终得到平均晶粒度为7-9级的不锈钢包壳管。不锈钢包壳管的尺寸根据实际需求而选择设置，在此不作限定。

57.本发明的制备方法采用真空感应熔炼和真空电弧自耗重熔工艺获得合金铸锭，再采用多次墩拔变形和高温均匀化处理的锻造方式进行铸锭开坯，制得合金锻造棒材，然后采用机加工制备管坯，再进行多道次冷轧和热处理，最后采用冷轧工艺施加15-25％冷加工预变形，制得不锈钢包壳管。

58.现有技术制备的铅铋快堆用奥氏体不锈钢材料，如奥氏体不锈钢15-15ti，其抗铅铋腐蚀性能不够理想，现有技术也没有对不锈钢材料制备过程中的合金元素进行准确的控制，特别是氮、碳等微量元素。

59.本发明能够准确控制不锈钢包壳管材料中的元素含量，通过降低mn含量、调整al含量以及严格控制n含量，提高铸锭的组织均匀性，减少夹杂物数量，同时提高材料的抗氧化性和冷热加工性能。本发明可确保消除铸锭的凝固偏析，获得无条带组织和宏观缺陷的优良变形组织。与同类不锈钢相比，本发明制备的不锈钢包壳管材料具有良好的室温、高温力学性能和优异的耐铅铋液态金属腐蚀性能，能够更好地满足铅铋快堆燃料组件的选材需求。

60.以下通过具体实施例进行说明：

61.实施例1

62.一种铅铋快堆燃料组件用不锈钢包壳管材料，包括元素fe、cr、ni、mn、ti、mo、c、si、b，其中它们在材料中的质量百分比分别为：c0.06％、cr16.00％、ni15.00％、mn1.20％、ti0.36％、mo1.50％、si0.40％、b0.003％、fe65.477％。不锈钢包壳管材料的全部杂质元素的总质量百分含量不高于0.03％；杂质元素中，p的质量百分比不高于0.01％、n的质量百分比不高于0.003％、s的质量百分比不高于0.0015％、o的质量百分比不高于0.0015％。

63.一种上述铅铋快堆燃料组件用不锈钢包壳管材料的制备方法，包括以下步骤：

64.s1、称料：以多晶硅、镍板、纯铁、钼条、金属铬、碳、金属铝、余硅、金属锰、硼铁合金和海绵钛为原料，其中硼铁合金中硼元素的质量百分比为17％；原料之间的配比满足其元素的质量百分比：c0.06％、cr16.00％、ni15.00％、mn1.20％、ti0.36％、mo1.50％、si0.40％、b0.003％、fe65.477％。

65.s2、真空感应熔炼：先将多晶硅、镍板、纯铁、钼条和铬装于真空感应炉的坩埚中，

合炉抽真空至真空度≤5.0pa，在1500℃下精炼15min；再加入碳、铝，待其熔化后停止送电，通入保护气氩气，重新送电，在1370℃下加入余硅、锰、硼铁合金和海绵钛，搅拌后调整钢液温度为1525℃，并向模具内浇注，得到合金铸锭初体。

66.s3、真空电弧自耗重熔：将所述s2步骤得到的合金铸锭初体的缩孔部位切除60mm，作为重熔电极在自耗炉进行真空电弧自耗重熔，得到自耗重熔铸锭。铸锭冷却后进行头尾切除、表面扒皮和切分处理。

67.s4、锻造：将所述s3步骤得到的自耗重熔铸锭加热至1200℃保温2h，再进行40％镦粗-拔长预变形，随后在1200℃下进行均匀化处理，保温时长为12h，重复进行墩拔2次，墩拔终变形量为40％，得到直径为50mm的合金锻棒。

68.s5、管材轧制：将所述s4步骤得到的合金锻棒加工制成外径为42mm、壁厚为4.5mm的管坯，并在气氛保护炉中进行1080℃的固溶处理，处理时间为30min；随后进行10道次冷轧变形，中间热处理温度为1080℃，时间为20min，最终热处理在气氛保护辊式连续热处理炉中进行，处理温度为1060℃，时间为12min；预变形冷轧的变形量为20％，送进量为1.5mm/min，得到不锈钢包壳管。

69.实施例2

70.一种铅铋快堆燃料组件用不锈钢包壳管材料，包括元素fe、cr、ni、mn、ti、mo、al、c、si、b，其中它们在材料中的质量百分比分别为：c0.06％、cr16.00％、ni15.00％、mn1.20％、ti0.36％、mo1.50％、al0.2％、si0.40％、b0.003％、fe65.277％。不锈钢包壳管材料的全部杂质元素的总质量百分含量不高于0.03％；杂质元素中，p的质量百分比不高于0.01％、n的质量百分比不高于0.003％、s的质量百分比不高于0.0015％、o的质量百分比不高于0.0015％。

71.一种上述铅铋快堆燃料组件用不锈钢包壳管材料的制备方法，包括以下步骤：

72.s1、称料：以多晶硅、镍板、纯铁、钼条、金属铬、碳、金属铝、余硅、金属锰、硼铁合金和海绵钛为原料，其中硼铁合金中硼元素的质量百分比为17％；原料之间的配比满足其元素的质量百分比：c0.06％、cr16.00％、ni15.00％、mn1.20％、ti0.36％、mo1.50％、al0.2％、si0.40％、b0.003％、fe65.277％。

73.s2、真空感应熔炼：先将多晶硅、镍板、纯铁、钼条和铬装于真空感应炉的坩埚中，合炉抽真空至真空度≤5.0pa，在1500℃下精炼15min；再加入碳、铝，待其熔化后停止送电，通入保护气氩气，重新送电，在1370℃下加入余硅、锰、硼铁合金和海绵钛，搅拌后调整钢液温度为1525℃，并向模具内浇注，得到合金铸锭初体。

74.s3、真空电弧自耗重熔：将所述s2步骤得到的合金铸锭初体的缩孔部位切除60mm，作为重熔电极在自耗炉进行真空电弧自耗重熔，得到自耗重熔铸锭。铸锭冷却后进行头尾切除、表面扒皮和切分处理。

75.s4、锻造：将所述s3步骤得到的自耗重熔铸锭加热至1200℃保温2h，再进行40％镦粗-拔长预变形，随后在1200℃下进行均匀化处理，保温时长为12h，重复进行墩拔2次，墩拔终变形量为40％，得到直径为50mm的合金锻棒。

76.s5、管材轧制：将所述s4步骤得到的合金锻棒加工制成外径为42mm、壁厚为4.5mm的管坯，并在气氛保护炉中进行1080℃的固溶处理，处理时间为30min；随后进行12道次冷轧变形，中间热处理温度为1080℃，时间为20min，最终热处理在气氛保护辊式连续热处理

炉中进行，处理温度为1060℃，时间为12min；预变形冷轧的变形量为20％，送进量为1.5mm/min，得到不锈钢包壳管。

77.实施例3

78.一种铅铋快堆燃料组件用不锈钢包壳管材料，包括元素fe、cr、ni、mn、ti、mo、al、c、si、b，其中它们在材料中的质量百分比分别为：c0.04％、cr15.00％、ni14.00％、mn1.00％、ti0.20％、mo1.30％、al0.10％、si0.30％、b0.004％、fe68.056％。不锈钢包壳管材料的全部杂质元素的总质量百分含量不高于0.03％；杂质元素中，p的质量百分比不高于0.01％、n的质量百分比不高于0.003％、s的质量百分比不高于0.0015％、o的质量百分比不高于0.0015％。

79.一种上述铅铋快堆燃料组件用不锈钢包壳管材料的制备方法，包括以下步骤：

80.s1、称料：以多晶硅、镍板、纯铁、钼条、金属铬、碳、金属铝、余硅、金属锰、硼铁合金和海绵钛为原料，其中硼铁合金中硼元素的质量百分比为17％；原料之间的配比满足其元素的质量百分比：c0.04％、cr15.00％、ni14.00％、mn1.00％、ti0.20％、mo1.30％、al0.10％、si0.30％、b0.004％、fe68.056％。

81.s2、真空感应熔炼：先将多晶硅、镍板、纯铁、钼条和铬装于真空感应炉的坩埚中，合炉抽真空至真空度≤5.0pa，在1300℃下精炼20min；再加入碳、铝，待其熔化后停止送电，通入保护气氩气，重新送电，在1350℃下加入余硅、锰、硼铁合金和海绵钛，搅拌后调整钢液温度为1500℃，并向模具内浇注，得到合金铸锭初体。

82.s3、真空电弧自耗重熔：将所述s2步骤得到的合金铸锭初体的缩孔部位切除50mm，作为重熔电极在自耗炉进行真空电弧自耗重熔，得到自耗重熔铸锭。铸锭冷却后进行头尾切除、表面扒皮和切分处理。

83.s4、锻造：将所述s3步骤得到的自耗重熔铸锭加热至1150℃保温2.5h，再进行20％镦粗-拔长预变形，随后在1150℃下进行均匀化处理，保温时长为11.5h，重复进行墩拔3次，墩拔终变形量为30％，得到直径为45mm的合金锻棒。

84.s5、管材轧制：将所述s4步骤得到的合金锻棒加工制成外径为40mm、壁厚为4mm的管坯，并在气氛保护炉中进行1050℃的固溶处理，处理时间为40min；随后进行8道次冷轧变形，中间热处理温度为1050℃，时间为30min，最终热处理在气氛保护辊式连续热处理炉中进行，处理温度为1030℃，时间为15min；预变形冷轧的变形量为15％，送进量为1.0mm/min，得到不锈钢包壳管。

85.实施例4

86.一种铅铋快堆燃料组件用不锈钢包壳管材料，包括元素fe、cr、ni、mn、ti、mo、al、c、si、b，其中它们在材料中的质量百分比分别为：c0.08％、cr16.00％、ni16.00％、mn1.10％、ti0.48％、mo1.40％、al0.30％、si0.50％、b0.004％、fe64.136％。不锈钢包壳管材料的全部杂质元素的总质量百分含量不高于0.03％；杂质元素中，p的质量百分比不高于0.01％、n的质量百分比不高于0.003％、s的质量百分比不高于0.0015％、o的质量百分比不高于0.0015％。

87.一种上述铅铋快堆燃料组件用不锈钢包壳管材料的制备方法，包括以下步骤：

88.s1、称料：以多晶硅、镍板、纯铁、钼条、金属铬、碳、金属铝、余硅、金属锰、硼铁合金和海绵钛为原料，其中硼铁合金中硼元素的质量百分比为17％；原料之间的配比满足其元

素的质量百分比：c0.08％、cr16.00％、ni16.00％、mn1.10％、ti0.48％、mo1.40％、al0.30％、si0.50％、b0.004％、fe64.136％。

89.s2、真空感应熔炼：先将多晶硅、镍板、纯铁、钼条和铬装于真空感应炉的坩埚中，合炉抽真空至真空度≤5.0pa，在1700℃下精炼10min；再加入碳、铝，待其熔化后停止送电，通入保护气氩气，重新送电，在1400℃下加入余硅、锰、硼铁合金和海绵钛，搅拌后调整钢液温度为1550℃，并向模具内浇注，得到合金铸锭初体。

90.s3、真空电弧自耗重熔：将所述s2步骤得到的合金铸锭初体的缩孔部位切除80mm，作为重熔电极在自耗炉进行真空电弧自耗重熔，得到自耗重熔铸锭。铸锭冷却后进行头尾切除、表面扒皮和切分处理。

91.s4、锻造：将所述s3步骤得到的自耗重熔铸锭加热至1180℃保温1.5h，再进行30％镦粗-拔长预变形，随后在1180℃下进行均匀化处理，保温时长为12h，重复进行墩拔5次，墩拔终变形量为35％，得到直径为55mm的合金锻棒。

92.s5、管材轧制：将所述s4步骤得到的合金锻棒加工制成外径为50mm、壁厚为5mm的管坯，并在气氛保护炉中进行1100℃的固溶处理，处理时间为20min；随后进行15道次冷轧变形，中间热处理温度为1100℃，时间为10min，最终热处理在气氛保护辊式连续热处理炉中进行，处理温度为1080℃，时间为8min；预变形冷轧的变形量为25％，送进量为2.0mm/min，得到不锈钢包壳管。

93.对比试验：

94.将本发明实施例1、实施例2与目前常用于铅基快堆包壳管的15cr-15ni系列含ti奥氏体不锈钢(以下称为15-15ti)的性能进行对比，由于国内外对15-15ti的成分范围尚未统一，本发明采用的15-15ti的化学成分为：cr16wt.％、ni15wt.％、mn1.5wt.％、ti0.36wt.％、mo2.1wt.％、si0.40wt.％。15-15ti与本发明的不锈钢包壳管材料的主要区别在于，未降低mn含量，未要求al含量以及未严格控制n含量。

95.1、成分检测

96.试验仪器：氧氮氢分析仪、碳硫分析仪、光学显微镜

97.试验步骤：对实施例1和实施例2的自耗重熔铸锭进行化学成分检测，并对自耗重熔铸锭经锻造后制得的合金锻棒进行显微观察，成分检测结果如表1所示，锻棒显微观察结果如图1、2所示。其中，o、n、h、c、s元素通过元素分析仪进行检测，其他元素采用化学方法检测，成分检测通常不针对基本金属元素，本发明的自耗重熔铸锭的基本金属元素是fe，故不需要检测fe元素。

98.2、质量检测

99.试验仪器：超声波无损探伤仪、光学显微镜

100.试验步骤：对实施例1和实施例2的不锈钢包壳管进行超声波探伤与显微观察，显微观察结果如图3、4所示。

101.3、拉伸试验、高温持久试验

102.试验仪器：万能拉伸试验机

103.试验步骤：对实施例1、实施例2以及15-15ti分别制备的不锈钢包壳管进行室温和高温拉伸试验以及650℃、1000h高温持久试验，试验结果如表2所示。

104.4、铅铋腐蚀试验

105.试验仪器：光学显微镜

106.试验步骤：将实施例1、实施例2以及15-15ti分别制备的不锈钢包壳管进行600℃、500h的静态铅铋液态金属腐蚀，随后在显微镜下观察，试验结果如图5-7所示。

107.表1实施例1和实施例2的自耗重熔铸锭成分检测结果

108.化学成分实施例1(wt.％)实施例2(wt.％)c0.0590.059ni15.0015.00cr15.9915.99ti0.360.38si0.390.38mn1.171.13mo1.481.48al00.23b0.0030.003p＜0.005＜0.005o0.00050.0005s0.00100.0006n0.00140.0014

109.表2实施例1、实施例2与15-15ti的性能对比

[0110][0111]

由表1可知，本发明的自耗重熔铸锭中全部杂质元素的总含量均低于0.03％，且含量较低，这表明对杂质元素的含量控制良好；其他元素的含量与原料的元素配比十分接近，这表明不锈钢包壳管材料中的成分控制良好。此外，由图1、2可知，本发明的合金锻棒具有优良的变形组织，不存在条带状碳化物和宏观缺陷；消除了铸锭的凝固偏析，晶粒度大于3级。此外，本发明的不锈钢包壳管的超声波探伤质量检测结果合格，且由图3、4可知，包壳管的显微组织控制良好，晶粒组织均匀，晶粒度为7-8级。可见，本发明的不锈钢包壳管材料组织均匀，且材料表面质量优良。

[0112]

由表2可知，本发明的不锈钢包壳管的室温、高温拉伸强度和拉伸塑性良好，高温持久强度与不锈钢15-15ti相当，可见，本发明的不锈钢包壳管材料具有良好的室温、高温力学性能。

[0113]

由图5-7可知，经过600℃、500h静态铅铋腐蚀，实施例1包壳管的氧化层厚度为42μ

m，实施例2包壳管的氧化层厚度为35μm，而15-15ti包壳管的氧化层厚度为83μm。因此，本发明的不锈钢包壳管材料经过铅铋腐蚀，生成的氧化层厚度比同类奥氏体不锈钢15-15ti更小，可见，本发明的不锈钢包壳管材料具有优异的耐铅铋液态金属腐蚀性能。

[0114]

综上，本发明提出一种铅铋快堆燃料组件用不锈钢包壳管材料，通过降低mn含量、调整al含量以及严格控制n含量，提高合金铸锭的组织均匀性，提高不锈钢包壳管材料的抗氧化性并减少材料中的夹杂物。

[0115]

本发明提出一种铅铋快堆燃料组件用不锈钢包壳管材料的制备方法，该方法能够更加准确地控制不锈钢包壳管材料的化学元素含量，更好的降低杂质元素的含量，提高材料的组织均匀性与冷热加工性能。其中，采用多次墩拔变形和均匀化处理的方法进行锻造，确保消除铸锭在凝固过程中的偏析，获得无条带组织和宏观缺陷的优良变形组织。本发明的不锈钢包壳管材料具有良好的室温、高温力学性能和优异的耐铅铋液态金属腐蚀性能，能够更好地满足铅铋快堆燃料组件的选材需求。

[0116]

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。技术特征：

1.一种铅铋快堆燃料组件用不锈钢包壳管材料，其特征在于，包括元素fe、cr、ni、mn、ti、mo、al、c、si、b，其中它们在材料中的质量百分比分别为：0.04％≤c≤0.08％、15.0％≤cr≤17.0％、14.0％≤ni≤16.0％、0.3％≤si≤0.5％、1.0％≤mn≤1.2％、0.2％≤ti≤0.5％、1.3％≤mo≤1.5％、0.003％≤b≤0.004％、0≤al≤0.3％，且ti和c的质量百分含量之比ti/c为(4-6):1；余量为fe。2.根据权利要求1所述的铅铋快堆燃料组件用不锈钢包壳管材料，其特征在于，所述不锈钢包壳管材料的全部杂质元素的总质量百分含量不高于0.03％；所述杂质元素中，p的质量百分比不高于0.01％、n的质量百分比不高于0.003％、s的质量百分比不高于0.0015％、o的质量百分比不高于0.0015％。3.一种铅铋快堆燃料组件用不锈钢包壳管材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、称料：以多晶硅、镍板、纯铁、钼条、金属铬、碳、金属铝、余硅、金属锰、硼铁合金和海绵钛为原料，其中硼铁合金中硼元素的质量百分比为15-20％；原料之间的配比满足其元素的质量百分比：0.04％≤c≤0.08％、15.0％≤cr≤17.0％、14.0％≤ni≤16.0％、0.3％≤si≤0.5％、1.0％≤mn≤1.2％、0.2％≤ti≤0.5％、1.3％≤mo≤1.5％、0.003％≤b≤0.004％、0≤al≤0.3％，且ti和c的质量百分含量之比ti/c为(4-6):1；余量为fe；多晶硅和余硅的质量百分比之和为0.3-0.5％；s2、真空感应熔炼：先将多晶硅、镍板、纯铁、钼条和金属铬装于反应容器中，抽真空并进行精炼；再加入碳、金属铝，待其熔化后停止送电，通入保护气，重新送电，在第一预设温度下加入余硅、金属锰、硼铁合金和海绵钛，搅拌后调整钢液温度至第二预设温度并向模具内浇注，得到合金铸锭初体；s3、真空电弧自耗重熔：将所述s2步骤得到的所述合金铸锭初体的缩孔部位切除，并进行真空电弧自耗重熔，得到自耗重熔铸锭；s4、锻造：将所述s3步骤得到的所述自耗重熔铸锭进行镦粗-拔长和均匀化处理，得到合金锻棒；s5、管材轧制：将所述s4步骤得到的所述合金锻棒加工制成管坯，并进行多道次冷轧和热处理，最后进行预变形冷轧，得到不锈钢包壳管。4.根据权利要求3所述的铅铋快堆燃料组件用不锈钢包壳管材料的制备方法，其特征在于，所述s2步骤中，抽真空至真空度≤5.0pa，在1300-1700℃下精炼10-20min。5.根据权利要求3所述的铅铋快堆燃料组件用不锈钢包壳管材料的制备方法，其特征在于，所述s2步骤中，所述保护气为氩气；所述第一预设温度为1350-1400℃；所述第二预设温度为1500-1550℃。6.根据权利要求3所述的铅铋快堆燃料组件用不锈钢包壳管材料的制备方法，其特征在于，所述s3步骤中，缩孔部位切除50-80mm。7.根据权利要求3所述的铅铋快堆燃料组件用不锈钢包壳管材料的制备方法，其特征在于，所述s4步骤中，先进行20-40％镦粗-拔长预变形和均匀化处理，再进行镦粗-拔长2-5次，终变形量为30-40％；其中，所述均匀化处理的温度为1150-1200℃，且所述均匀化处理的保温时间为11-12h。8.根据权利要求3所述的铅铋快堆燃料组件用不锈钢包壳管材料的制备方法，其特征

在于，所述s4步骤中，所述合金锻棒的直径为45-55mm；所述s5步骤中，所述管坯的外径为40-50mm、壁厚为4-5mm。9.根据权利要求3所述的铅铋快堆燃料组件用不锈钢包壳管材料的制备方法，其特征在于，所述s5步骤中，冷轧前对所述管坯进行固溶处理，其中，所述固溶处理的温度为1050-1100℃，所述固溶处理的时间为20-40min。10.根据权利要求3所述的铅铋快堆燃料组件用不锈钢包壳管材料的制备方法，其特征在于，所述s5步骤中，所述冷轧的道次为8-15道；所述预变形冷轧的变形量为15-25％，送进量为1-2mm/min。11.根据权利要求3所述的铅铋快堆燃料组件用不锈钢包壳管材料的制备方法，其特征在于，所述s5步骤中，所述热处理包括中间热处理和最终热处理；其中，所述中间热处理的温度为1050-1100℃，所述中间热处理的时间为10-30min；所述最终热处理的温度为1030-1080℃，所述最终热处理的时间为8-15min。

技术总结

本发明公开了一种铅铋快堆燃料组件用不锈钢包壳管材料及其制备方法；包壳管材料包括元素Fe、Cr、Ni、Mn、Ti、Mo、Al、C、Si、B，其中它们在材料中的质量百分比分别为：0.04％≤C≤0.08％、15.0％≤Cr≤17.0％、14.0％≤Ni≤16.0％、0.3％≤Si≤0.5％、1.0％≤Mn≤1.2％、0.2％≤Ti≤0.5％、1.3％≤Mo≤1.5％、0.003％≤B≤0.004％、0≤Al≤0.3％，且Ti和C的质量百分含量之比Ti/C为(4-6):1；余量为Fe；制备方法：经过真空感应熔炼和真空电弧自耗重熔制得合金铸锭，将其进行锻造并轧制，得到不锈钢包壳管。本发明提出的不锈钢包壳管材料具有良好的室温、高温力学性能和优异的耐铅铋液态金属腐蚀性能，能够更好地满足铅铋快堆燃料组件的选材需求。选材需求。选材需求。

技术研发人员：陈敏莉 徐杨 王旻 马颖澈 陈刘涛 石林 梁田 郝宪朝 易昊钰

受保护的技术使用者：岭澳核电有限公司 中国科学院金属研究所 中国广核集团有限公司 中国广核电力股份有限公司

技术研发日：2022.11.18

技术公布日：2023/2/27