1.2 ADS 候选材料马氏体耐热钢的性能要求

加速器驱动次临界系统(Accelerator Driven Subcritical)主要由高能质 子加速器、靶材和铅铋冷却次临界反应堆构成。在已有核能系统的基础上，ADS 系统在靶材料方面进行了新的设计，即用液态 Pb-BI（45%Pb-55%Bi）合金替换 普通靶材。因而 ADS 系统结构材料不仅需具备传统核能系统结构材料所具备的耐 高温、抗高通量中子辐照的性能，还需同时具备优异的抗液态金属腐蚀的性能。 目前还没有一种可以同时满足这种性能要求的理想材料，设计同时具有三种性能 的铁素体系结构材料是本课题研究所面临的一个巨大挑战。针对该领域，国际上 很多国家已经开展了研究，并对候选材料进行了初步选择，如欧洲和美国在研究 ADS 相关系统时，对于高负载部分，选用 T91、HT9 马氏体钢，对于容器及其内 部结构件，则选用 316L 奥氏体钢[3]。国际上着力于研究 9~12%Cr 马氏体耐热钢 作为 ADS 系统候选结构材料[4]。

因此 ADS 候选马氏体耐热钢应当具备以下性能： 1.抗辐射。能抗辐照肿胀、抗辐照脆化；

2.低活化。中子半衰期短、活化截面小、吸收界面小；

3. 耐腐蚀。耐（液态金属、压水、氦气、熔盐等介质）的腐蚀、抗高温氧 化等；

4. 力学性能优异。在高温应力条件下强度较高、韧塑性较好以及蠕变持久 性能良好；

5. 加工性能良好。具有良好冶炼、加工、焊接等性能；

6. 成本低。

1.3 铁素体/马氏体耐热钢的发展

铁素体/马氏体耐热钢的发展历程如图 1.1 所示[5]。其典型的化学成分如表 1.1 所示[5,6,7,8,9,10]。 铁素体/马氏体耐热钢中主要含 Cr、Mo、W、V、Nb、Ta、B、 Co 等合金元素。目前，世界上广泛研究的就是 2.25%Cr、9%Cr 和 12%Cr 这三个 系列的铁素体/马氏体耐热钢，因为它们相比于其他系列的铁素体/马氏体耐热钢 具有更高的耐腐蚀性能和高温蠕变性能[11,12] 。

图1.1 铁素体耐热钢的发展历程图[5]

9~12%Cr 系列马氏体耐热钢的发展实质主要是提高其持久强度，图 1.1 概 括了铁素体/马氏体耐热钢持久强度逐渐增高的发展历程[5]。第一阶段是通过增 强析出强化的效果来提高持久强度，主要方法是引入微合金化元素 V、Nb 等形成 微细碳化物、碳氮化物，该措施使得蠕变断裂强度（或持久强度）（600℃/105h） 提高至 100MPa；第二阶段通过增强固溶强化的效果来实现，措施是降 Mo 增 W 或

用 W 替代 Mo，该措施使得持久强度增至 140MPa；第三阶段是在增加强固溶强化 元素 W 的同时添加 Co、B，该措施使得铁素体/马氏体耐热钢的持久强度增至 180MPa。概括来说，铁素体/马氏体耐热钢的研发经历了低 Cr-Mo 系→高 Cr-Mo 系 → 高 Cr-Mo-V-Nb 系 → 高 Cr-Mo-W-V-Nb 系 （ 高 Cr-W-V-Nb 系 ） → 高 Cr-Mo-W-Co-V-Nb-B 系的历程[5, 10, 13,14]。

表 1.1 典型铁素体/马氏体耐热钢的名义化学成分[5.6.7,8,9,10]

钢系

钢号

C Si Mn Cr