本发明属于高温用奥氏体不锈钢结构材料领域，具体涉及一种铅基堆紧固件用高温组织稳定性优异的奥氏体不锈钢及其制备方法，主要用于核能领域面临长时高温铅铋腐蚀环境的新型紧固件结构材料。
背景技术：
1、
2、通常解决铅铋腐蚀问题的思路之一是在现有结构材料基础上加入适量的si元素，利用si在高温条件下在材料表面形成稳定而致密的氧化膜来隔离液态铅铋金属，从而表现出良好的耐腐蚀性能。因此，高si奥氏体不锈钢是小型铅铋快堆中重要的金属结构材料。
3、si作为钢中的合金化元素，除了起到耐铅铋腐蚀作用外，它在奥氏体不锈钢中也会促进高温长时服役过程中诸如m23c6、sigma、铁素体、g相等第二相的析出，改变长时组织稳定性，进而影响高温强韧性。因此，在充分发挥si元素实现耐液态铅铋腐蚀性能作用的同时，不能忽略钢中si元素在高温长时条件下对组织稳定性的影响。
技术实现思路
1、基于此，本发明的目的在于提供一种铅基堆紧固件用高温组织稳定性优异的奥氏体不锈钢及其制备方法，均衡考虑si在奥氏体不锈钢中对耐液态铅铋腐蚀性能和高温长时组织稳定性的双重影响，奥氏体不锈钢同时具有优异组织稳定性且耐铅铋腐蚀。
2、本发明的技术方案是：
3、一种铅基堆紧固件用高温组织稳定性优异的奥氏体不锈钢，按重量百分比计，该奥氏体不锈钢的化学成分如下：
4、c：0.09～0.12％；si：2.4～2.8％；mn：≤0.5％；s：≤0.005％；p：≤0.1％；cr：14.0～16.0％；ni：10.0～14.0％；mo：0.8～1.6％；nb：0.8～1.0％；n：0.06～0.12％；o：≤0.005％；余量为fe。
5、所述的铅基堆紧固件用高温组织稳定性优异的奥氏体不锈钢，cr当量和ni当量满足：ni当量/cr当量≥0.75，其中：
6、铬当量按式(1)计算：
7、cr当量＝100×(cr+mo+1.5si+0.5nb)(1)
8、镍当量按式(2)计算：
9、ni当量＝100×(ni+30×c+30×n+0.5×mn)(2)。
10、所述的铅基堆紧固件用高温组织稳定性优异的奥氏体不锈钢，奥氏体不锈钢的初始组织为奥氏体和含nb碳化物；经过510℃时效3000小时后的组织仍为奥氏体和含nb碳化物。
11、所述的铅基堆紧固件用高温组织稳定性优异的奥氏体不锈钢的制备方法，包括如下步骤：
12、步骤一，采用真空感应冶炼或真空感应冶炼+真空自耗熔炼获得钢锭；
13、步骤二，将钢锭进行连续均质化处理、锻造和热处理：
14、(1)钢锭随炉升至1260±10℃保温，保温时间不少于12小时；
15、(2)钢锭出炉空冷至1100～1150℃开始锻造，终锻温度850～950℃；
16、(3)锻造后坯料放入1050～1100℃保温炉中保温1～2小时，水冷。
17、所述的铅基堆紧固件用高温组织稳定性优异的奥氏体不锈钢的制备方法，步骤(2)中，锻造进行纵-横-纵三向循环大压下量锻打，一次循环单次变形量>10％，循环次数不小于6次，总锻造比>20。
18、所述的铅基堆紧固件用高温组织稳定性优异的奥氏体不锈钢的制备方法，奥氏体不锈钢的性能指标如下：
19、室温屈服强度≥360mpa，抗拉强度≥750mpa，延伸率≥50.0％；v口全尺寸冲击韧性值≥140j；
20、550℃的屈服强度≥230mpa，抗拉强度≥540mpa，延伸率≥40.0％。
21、所述的铅基堆紧固件用高温组织稳定性优异的奥氏体不锈钢的制备方法，该奥氏体不锈钢在饱和氧浓度、550℃液态铅铋合金(45％pb-bi)中腐蚀3000小时后氧化膜厚度不超过20μm，具有优异的耐液态铅铋腐蚀性能。
22、所述的铅基堆紧固件用高温组织稳定性优异的奥氏体不锈钢的制备方法，该奥氏体不锈钢在510℃时效3000小时后的性能指标如下：屈服强度≥330mpa，抗拉强度≥750mpa，延伸率≥50.0％；v口全尺寸冲击韧性值≥130j，具有优异的组织稳定性。
23、所述的铅基堆紧固件用高温组织稳定性优异的奥氏体不锈钢的制备方法，该奥氏体不锈钢在510℃、初始应力为120mpa，保持1000小时后的剩余应力大于90mpa。
24、本发明的设计思想为：
25、本发明在保证si具备优异耐铅铋腐蚀性能的前提下，考虑si对组织稳定性带来的消极影响。通过迭代优化si、mo、ni、nb、c、n等关键元素并在组织调控配合下，实现了材料对耐铅铋腐蚀性能、抗应力松弛性能和组织热稳定性的匹配最佳化。例如，在减缓铁素体析出方面，遵循高ni当量(ni当量/cr当量≥0.75)，即获得较高的初始奥氏体组织稳定性为原则；在抑制m23c6析出方面，采取以nb固c的成分设计体系，尽量避免cr与c的结合；在减缓sigma相析出方面，严格控制合金中电子空位数nv<2.52数值。
26、此外，本发明创新地采用适量p合金化方法，借助p可以促使奥氏体不锈钢淬火过程中增加更多空位的作用，增加钢中nbc的析出密度，从而提高钢的抗应力松弛性能。
27、本发明中主要元素含量说明如下：
28、si：2.4～2.8wt％
29、si是保障奥氏体不锈钢耐铅铋腐蚀性能的关键元素。在高温环境下，利用si优先氧化形成含si的氧化物，由于含si氧化物在液态铅铋金属中的溶解度极低，因此可以阻碍外部液态铅铋金属环境的腐蚀。利用si的这一作用，钢中加入适量si起到优异耐液态铅铋腐蚀的作用。考虑si是较强的铁素体形成元素，而且过量的si会促使钢在高温长时服役中析出有害第二相，损害高温组织稳定性。因此，综合考虑，本发明钢中的si含量为2.4～2.8wt％。
30、cr：14.0～16.0wt％
31、奥氏体不锈钢的不锈性和耐蚀性的获得主要是cr促进钢的钝化并使钢保持稳定钝态的结果。cr的这种作用使钢表面形成的连续致密cr2o3钝化膜可以阻碍离子迁移和元素向液态铅铋溶解，而cr的这种作用与si相互增强，从而提高钢的耐液态金属腐蚀性能。但cr是铁素体形成元素，而且与c易形成m23c6第二相。因此，cr的含量控制在14.0～16.0wt％。
32、ni：10.0～14.0wt％
33、ni是使钢获得完全奥氏体组织的主要元素。但ni在液态铅铋合金中的溶解度较大，过高含量将恶化耐液态金属腐蚀性能；同时，钢中ni含量的增加会降低c在奥氏体不锈钢中的溶解度，从而使碳化物析出倾向增强。因此，综合考虑，本发明钢中的ni含量控制在10.0～14.0wt％，优选为10.0～12.0wt％。
34、c：0.09～0.12wt％
35、c是提高ni当量最有效的元素之一，其系数为ni的30倍，它可以显著扩大奥氏体相区，稳定奥氏体组织。本发明钢中c的另一重要作用是与nb形成纳米尺寸nbc，组织中形成高密度细小弥散的nbc粒子钉扎位错，提高钢的高温抗应力松弛能力。本发明钢中c的含量与nb的含量遵循理想化学配比原则，保证nb的重量百分比是c的8倍。c或nb含量过低则形成的nbc密度低，作用较小；而c含量过高会与钢中的cr元素早期形成m23c6碳化物，反而恶化综合性能。因此，本发明钢的c含量为0.09～0.12wt％。
36、n：0.06～0.12wt％
37、n的镍当量系数也为ni的30倍，它不仅可以有效提高ni当量，而且其在奥氏体不锈钢中具有显著的固溶强化作用。不仅如此，其形成的碳氮化物稳定，它在液态铅铋金属中的溶解度较ni低，因此它是同时提高高温组织稳定性和耐铅铋腐蚀性能最有效元素。但是n含量不能过高，过高的n易与钢中cr形成cr、n化合物第二相，影响耐腐蚀性能。综合考虑，n的最佳含量为0.06～0.12wt％。
38、mo：0.8～1.6wt％
39、mo在本发明钢中的主要作用是提高钢的高温强度。随着钢中mo含量增加，钢的高温热强性提高，但mo会增加cr当量，而且促进奥氏体不锈钢中金属间相，如：sigma相、laves相的析出，降低组织稳定性。因此，综合考虑，本发明钢中的mo含量为0.8～1.6wt％，优选为0.8～1.2wt％。
40、nb：0.8～1.0wt％
41、本发明钢中，一方面nb与c、n形成高密度nb(c,n)纳米尺寸析出相，通过析出相钉扎位错，阻止弹性应变向塑性应变转变，从而提高高温抗应力松弛能力；另一方面，固溶的nb还具有优异的耐铅铋腐蚀性能。但nb也会升高cr当量，而且它是易偏析元素，钢中过量的nb在长时时效后会形成fe2nb型laves相，恶化性能。因此，综合考虑，nb的最高含量不超过1.0wt％，最佳含量为0.8～1.0wt％。
42、p：≤0.1wt％
43、本发明创新地放宽p含量的限制，最高p含量可高达0.1wt％。一般而言，p在奥氏体不锈钢中被看作是有害杂质，含量越低越好。然而，研究发现，适量增加含碳奥氏体不锈钢中p的含量，不仅不损害钢的力学性能，而且它可以促使奥氏体不锈钢淬火过程中增加更多的空位，这些空位为nbc的析出提供了形核位点，大大提高了nbc的析出密度，从而提高了钢的抗应力松弛性能。而这种作用中p的最佳含量为0.1wt％，因此本发明钢中将钢中p的含量放宽为≤0.1wt％，优选为0.01～0.1wt％。p含量限制的放宽不仅改善了奥氏体不锈钢的综合性能，而且降低了原材料成本。
44、本发明的优点及有益效果是：
45、1、本发明在保证si具备优异耐铅铋腐蚀性能的前提下，充分考虑si对组织稳定性带来的消极影响，获得了一种同时具有优异组织稳定性且耐铅铋腐蚀的奥氏体不锈钢及其制备方法。
46、2、本发明钢创新地放宽p含量的限制为≤0.1wt％，不仅改善了奥氏体不锈钢的高温抗应力松弛性能，而且降低了原材料成本。
47、3、本发明钢可应用于核能领域面临高温长时铅铋腐蚀环境的新型紧固件结构材料。
1.一种铅基堆紧固件用高温组织稳定性优异的奥氏体不锈钢，其特征在于，按重量百分比计，该奥氏体不锈钢的化学成分如下：
2.根据权利要求1所述的铅基堆紧固件用高温组织稳定性优异的奥氏体不锈钢，其特征在于，cr当量和ni当量满足：ni当量/cr当量≥0.75，其中：
3.根据权利要求1所述的铅基堆紧固件用高温组织稳定性优异的奥氏体不锈钢，其特征在于，奥氏体不锈钢的初始组织为奥氏体和含nb碳化物；经过510℃时效3000小时后的组织仍为奥氏体和含nb碳化物。
4.一种权利要求1～3任一所述的铅基堆紧固件用高温组织稳定性优异的奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
5.按照权利要求4所述的铅基堆紧固件用高温组织稳定性优异的奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，锻造进行纵-横-纵三向循环大压下量锻打，一次循环单次变形量>10％，循环次数不小于6次，总锻造比>20。
6.按照权利要求4所述的铅基堆紧固件用高温组织稳定性优异的奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于，奥氏体不锈钢的性能指标如下：
7.按照权利要求4所述的铅基堆紧固件用高温组织稳定性优异的奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于，该奥氏体不锈钢在饱和氧浓度、550℃液态铅铋合金(45％pb-bi)中腐蚀3000小时后氧化膜厚度不超过20μm，具有优异的耐液态铅铋腐蚀性能。
8.按照权利要求4所述的铅基堆紧固件用高温组织稳定性优异的奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于，该奥氏体不锈钢在510℃时效3000小时后的性能指标如下：屈服强度≥330mpa，抗拉强度≥750mpa，延伸率≥50.0％；v口全尺寸冲击韧性值≥130j，具有优异的组织稳定性。
9.按照权利要求4所述的铅基堆紧固件用高温组织稳定性优异的奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于，该奥氏体不锈钢在510℃、初始应力为120mpa，保持1000小时后的剩余应力大于90mpa。
