核電用奧氏體不銹鋼的演化過(guò)程

  不銹鋼是一類(lèi)合金鋼，能耐鹽、酸、堿和大氣等介質(zhì)腐蝕，不銹鋼性能差別較大。可按組織分類(lèi)，例如奧氏體型等，組織狀態(tài)由主元素及其含量確定。奧氏體不銹鋼，意味著Cr>18%，Ni含量>8%，具有較好的性能，在核電行業(yè)應(yīng)用廣泛。奧氏體不銹鋼具有良好的綜合性能，是反應(yīng)堆系統(tǒng)的重要用材。例如，壓水堆的壓力容器里襯堆焊層；快堆、重水堆的容器；快堆的元件包殼等。它們所用的鋼種與常規(guī)不銹鋼型號(hào)基本相同，例如304，316，321，347，310S等。

  反應(yīng)堆技術(shù)不斷更新，對(duì)奧氏體不銹鋼的研發(fā)也不斷提出新的要求，以保障材料在服役環(huán)境中維持必要的完整性及尺寸穩(wěn)定性。在奧氏體不銹鋼發(fā)展過(guò)程中，其典型代表為18%Cr+8%Ni鋼，該類(lèi)鋼鈍化性能較好，其奧氏體相（γ）是介穩(wěn)相。為提高其抗均勻腐蝕、應(yīng)力腐蝕性能等，其改進(jìn)型鋼通常有以下幾個(gè)改進(jìn)方向和措施：①減少晶間腐蝕傾向：以18-8鋼為基礎(chǔ)，降C，或添加元素，如Ti、Nb、Mo等，防止晶界析出碳化物，特別是Cr23C6。例如304L，321（加Ti）、347(加Nb)、316（加Mo）；②提高抗應(yīng)力腐蝕能力：通過(guò)加N的方法。例如304NG（NG：核等級(jí)），316NG。③提高抗高溫氧化能力：同時(shí)提高Cr和Ni含量，變?yōu)楦呒?jí)奧氏體不銹鋼，或超級(jí)奧氏體不銹鋼。例如，310S不銹鋼。

  310S不銹鋼是鉻鎳不銹鋼，具有奧氏體組織。美國(guó)牌號(hào)是310S，國(guó)內(nèi)牌號(hào)是0Cr25Ni20。310不銹鋼主要合金成分為20%Ni-25%Cr-55%Fe，比18-8型鋼（如304、309、316）具有更高的Cr和Ni，310不銹鋼的C水平一般為0.25%，核電常用的310不銹鋼需控制碳含量約為0.08%，也稱(chēng)為310S不銹鋼。加Nb的310S不銹鋼，也稱(chēng)為HR3C。310系列不銹鋼具有優(yōu)于所有18-8不銹鋼的綜合性能，耐蝕性優(yōu)異，高溫氧化后在表面易形成保護(hù)性氧化膜，且具有較好的高溫強(qiáng)度。

  310S系列鋼主要應(yīng)用于改進(jìn)型氣冷堆（AGR）元件包殼，因?yàn)?00℃以上的高溫已經(jīng)超過(guò)鋯合金的使用極限；而快堆曾采用過(guò)的316不銹鋼在這樣高的溫度下也已不具備所需的高溫性能和抗蝕性能。在SCWR燃料包殼材料和堆芯結(jié)構(gòu)材料研發(fā)中，310S系列不銹鋼更是被選作最有希望的合金之一，具有與高溫合金如鎳基合金競(jìng)爭(zhēng)的優(yōu)勢(shì)。因此，日本，中國(guó)和加拿大等國(guó)家都在對(duì)310S不銹鋼在SCWR的應(yīng)用可行性進(jìn)行研究。因?yàn)椋?10S不銹鋼與鎳基合金相比，其鎳含量低，具有更好的中子經(jīng)濟(jì)性；可使腐蝕產(chǎn)物遷移及引起的活化劑量比鎳合金的低；比鎳基合金的氦脆少；而且，因其常用于堆芯或輻照較多部位，輻照數(shù)據(jù)相對(duì)更多，已有研究和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，310S系列不銹鋼的輻照敏感性低，一般經(jīng)過(guò)1021n·cm-2（約1.5dpa）輻照后才有明顯的輻照效應(yīng)。