TiVTa系低活化多主元合金的微观结构及相稳定性

制约可控核聚变堆商业化运用的关键问题之一是面向等离子体材料(plasma facing materials,PFMs),难熔多主元合金因其高温高强度、高熔点及良好的耐辐照性有望满足PFMs的需求。本工作设计并采用电弧熔炼制备了(TiVTa)_(95)X_(5)(X=Cr,Zr,W)低活化多主元合金,采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)及能量色散X射线谱仪(EDS)研究了Cr,Zr和W的添加对铸态、匀质TiVTa系合金的微观结构及900℃下相稳定性的影响。结果表明,铸态合金均为具有体心立方(BCC)结构的简单固溶体,经1200℃匀质化处理后(TiVTa)_(95)Cr_(5)合金发生相分解,基体内出现少量C15_Laves第二相。900℃下TiVTa系合金相稳定性不佳,均分解为一个BCC主相和沿晶界分布的C15_Laves第二相,TiVTa和(TiVTa)95 W 5合金中第二相体积分数较小,Cr,Zr的添加加剧相分解。经相结构及元素分析发现,(TiVTa)_(95)X_(5)(X=Cr,Zr,W)合金中析出的C15_Laves相晶格常数及元素组成均与二元合金体系中可能存在的Laves相不一致,差异主要来源于Laves相的元素组成。

钨/低活化钢钎焊用铁基非晶钎料与接头微结构

为了连接W和CLF-1 RAFM钢,设计出由低活化元素组成的Fe-B-Si、Fe-B-Si-Sn、Fe-B-Si-Cr-(Sn)、Fe-B-Si-P-(Cr,Sn)、Fe-B-Si-Mn-(Ga,Sn)和Fe-B-Si-(Cr,Mn,Ga,Ta,Sn)系列Fe基非晶钎料,结合熔体快淬技术制备出非晶合金箔带,并对W/CLF-1 RAFM钢接头微结构进行了对比研究。采用X-射线衍射仪对箔带样品与焊缝进行了相鉴定;通过差热分析测量了非晶箔带的熔化温度和液相线温度;利用光学金相和电子探针分析了焊缝组织形貌和元素分布。结果表明,利用Fe-B-Si、Fe-B-Si-Cr和Fe-B-Si-Mn-Sn非晶钎料可获得结构完整的W/CLF-1钢接头;前两种钎料得到的焊缝组织基体相为α-Fe固溶体,而含Mn钎料形成的焊缝基体为马氏体组织;在高温钎焊过程中,这些Fe基非晶钎料中的高B含量促使FeWB、FeW2B2和Fe3B型金属间化合物在焊缝中形成,并有效地阻止了W元素向低活化钢基体长程扩散。所设计的低活化Fe基非晶钎料可用于W和低活化钢的连接和接头性能研究。

比较不同压头提取离子辐照后低活化铁素体/马氏体钢屈服强度的差异

采用Berkovich压头和球形压头提取了550℃时不同辐照剂量辐照的低活化铁素体/马氏体(RAFM)钢的屈服强度并进行比较。结果表明:无论使用何种压头测量,辐照后低活化铁素体/马氏体钢均表现出明显的辐照硬化,但随着辐照剂量的增加,硬化程度呈现先增大后减小的趋势。对于未辐照样品,两种压头提取出的屈服强度值差异较小,但均高于样品的拉伸屈服强度。而对于辐照样品,球形压头提取出的屈服强度显著高于Berkovich压头,两者最大差距达到43%。对比辐照前后压头提取的屈服强度差值Δσ_(y)可知,相较于Berkovich压头,球形压头所获得的Δσ_(y)更接近于中子辐照样品的Δσ_(y)。压头形状、压入深度和堆积效应(pile-up)是导致两种压头Δσ_(y)差距显著的主要原因。

低活化铁素体/马氏体钢搅拌摩擦焊接头的高温蠕变性能

对5 mm厚度的低活化铁素体/马氏体钢(Reduced activation ferritic/martensitic steel,RAFM)进行了搅拌摩擦焊接,通过焊接接头的高温蠕变实验,研究低活化钢搅拌摩擦焊接头的高温蠕变性能与失效机理。结果表明,低活化钢搅拌摩擦焊接头高温力学性能良好。合金元素W和Ta含量高的RAFM钢的接头高温蠕变寿命更长,原因是Ta和W在高温环境中形成了更多的析出相,包括MX相和Laves相,对位错滑移的阻碍作用更强。650℃的蠕变寿命远远短于600℃的原因可能是,高温使得位错非常容易发生滑移,在Laves相还没有长大、MX相对位错滑移的阻碍作用不够强的情况下,在某些部位形成了密集的蠕变孔洞,造成有效横截面积急剧减少,应力集中严重,引发裂纹导致断裂。

中国低活化钢激光焊接接头微观组织与硬度分析

采用功率为4 kW的Nd:YAG激光器,对6 mm厚CLAM钢板采用不同的焊接参数进行了激光焊接试验,焊后对部分试样进行回火处理.分别对焊后和回火试样的硬度和微观组织结构进行了测试和观察.结果表明,回火处理前焊接接头金相组织主要为粗大的板条马氏体,随着焊接速度的提高,焊缝硬度有所提高;回火处理后焊接接头金相组织为板条特征明显的回火马氏体,使用扫描电镜对回火后焊接接头进行观察发现在原奥氏体晶界和马氏体板条上有碳化物析出,导致焊缝区的硬度相对母材略有提高,焊接热影响区未出现软化现象.

中国低活化马氏体钢CLAM研究进展

低活化铁素体/马氏体钢(RAFM钢)被普遍认为是未来聚变示范堆和聚变动力堆的首选结构材料。国际上给予了高度重视,许多国家都在研发其特有的RAFM钢。中科院等离子体物理研究所在与国内外多家单位的合作下发展了中国低活化马氏体钢———CLAM。本文总结了CLAM钢研制发展的主要进展,包括其成分优化设计、冶炼加工制备工艺、物理性能、机械性能、辐照性能及与液态LiPb的相容性等测试与研究以及各种焊接工艺研究等,并对今后的发展方向进行了展望。

聚变堆低活化马氏体钢的发展

介绍了国际聚变堆低活化结构材料发展概况及趋势,以及国内发展自己特有的低活化马氏体钢的必要性。介绍了聚变堆结构材料——低活化铁素体/马氏体钢发展的必要性及迫切性,以及目前国际上包括欧洲、日本、美国等在此方面研究的进展概况及发展趋势,最后提出了国内发展自己特有的低活化马氏体钢——CLAM钢的必要性,并对目前的研究进展情况做了介绍。

硅对低活化马氏体钢电子辐照行为的影响

利用超高压透射电子显微镜研究了两种成分的低活化马氏体钢(CLAM钢)的辐照损伤行为。结果表明:电子辐照能在未添加硅的CLAM钢中产生辐照空洞;在450℃下辐照至14 dpa时,空洞数密度约为8.7×1021m-3,辐照肿胀率约为0.26%;在450℃下的辐照肿胀率明显比500℃下的高;当损伤率为2×10-3dpa/s时,添加合金元素硅能显著提高CLAM钢的抗辐照肿胀能力,未在添加硅的CLAM钢中实验观察到辐照空洞的形成。在450℃下进行辐照时,添加硅的CLAM钢出现明显的辐照共格析出现象。

低活化马氏体钢的微观结构与力学性能

介绍了作为聚变反应堆候选结构材料的低活化马氏体钢的基本设计思路,初步确定了材料的化学成分和热处理工艺,研究了材料的冶金特性、微观组织和力学性能。同时,对比了添加少量钇和硅对材料性能的影响,发现添加硅可以提高材料强度,同时能保证材料具有足够的塑性和韧性;钇的添加对改善材料的塑性很有帮助,但是会使材料强度降低。

中国低活化马氏体钢CLAM热等静压扩散焊接初步研究

热等静压扩散焊接由于其独特的优点而被认为是聚变堆包层第一壁及冷却板等复杂结构件的首选制造技术之一。本文对中国低活化马氏体钢CLAM的热等静压焊接进行了初步研究。实验中CLAM钢自身焊接的拉伸性能已经达到母材的水平,但冲击断口为原接合面,且强度较低,X射线能谱(EDS)分析发现冲击断面上有强氧化物形成元素Al、Si、V等富集,初步认为焊接前期处理过程中待焊接面形成的稳定氧化膜导致冲击性能较低。

中国低活化马氏体钢TIG焊焊接接头的高温蠕变性能分析

文中在钨极氩弧焊条件下，在温度823K和180—260MPa应力水平下对CLAM钢焊接接头的蠕变性能进行了研究，作出蠕变曲线，建立数学模型分析预测蠕变变形机制．结果表明，CLAM钢TIG焊焊接接头表现出典型的三阶段蠕变过程；Or温度一定的情况下随着应力水平的提高，稳态蠕变速率增加，断裂时间变短．通过蠕变方程得到的稳态阶段焊接接头的应力因子n大于合金典型值3～7，其激活能Q约为436kJ／（mol·K），并且大于铁的自扩散激活能（300kJ／（mol·K）），显示为位错主要控制蠕变变形．

低活化铁素体/马氏体钢厚板光纤激光焊接接头组织及力学性能分析

针对核聚变反应堆试验包层模块(TBM)中使用的CLF-1低活化铁素体/马氏体钢进行焊接试验,采用15 k W光纤激光,实现了17.5 mm厚CLF-1钢的穿透焊接,得到了正反表面成形良好、无明显缺陷的焊接接头,并对接头显微组织及力学性能进行了分析研究.结果表明,焊缝区主要为粗大的板条马氏体;熔合线附近热影响区为细小的板条马氏体和少量贝氏体;不完全淬火区为经焊接热循环作用下二次回火的回火索氏体及马氏体双相组织;接头室温及550℃高温抗拉强度较高,均断裂于母材;焊缝显微硬度高于母材,且热影响区无明显软化;接头冲击韧性良好.接头综合力学性能良好.

CLF-1低活化铁素体/马氏体钢的热处理工艺

用显微硬度测试、微观组织观察、室温拉伸试验等方法研究了不同的热处理工艺参数对CLF-1低活化铁素体/马氏体钢(RAFM)显微组织与力学性能的影响,在此基础上确定了其适宜的热处理工艺。结果表明:经980℃×45 min固溶+740℃×90 min回火工艺热处理后,该钢显微组织良好且力学性能优异,抗拉强度达到760 MPa,伸长率为19.5%,可满足该钢的使用性能要求;其再结晶温度约为780℃;由α区进入α+γ两相区的相变点为820℃;在略高于920℃后将进入γ单相区。

注氘低活化马氏体钢在电子辐照下的缺陷行为

低活化铁素体/马氏体(RAFM)钢被视为国际热核聚变反应堆以及聚变反应堆的第1壁候选结构材料之一,很多国家均在研究不同的RAFM钢,中国低活化马氏体(CLAM)钢的研究亦正在进行。核聚变会产生氢、氦、氘及氚,这些气体元素与辐照缺陷结合在一起,对材料的辐照性能会产生较大影响。本文对注氘后不同温度下的辐照后微观结构进行研究。试验利用日本北海道大学的JEOL-1300高压电子显微镜研究注氘CLAM钢从室温到873K在1250keV电子辐照下的微观结构变化。研究结果表明,在电子辐照下,注氘产生的缺陷团会出现消失和长大两种现象,意味着间隙型与空位型位错环在注氘过程中同时产生。并研究了注氘产生的空洞。

低活化铁素体–马氏体钢搅拌摩擦焊接头组织和性能分析

文中对9%Cr低活化铁素体马氏体钢搅拌摩擦焊接头的组织和性能进行了分析.结果表明,搅拌摩擦焊接头不同区域微观组织存在明显的差异.搅拌区内奥氏体的动态再结晶引起晶粒细化和马氏体转变,并且晶界M23C6相溶解,晶内M3C相析出;热力影响区组织变化与搅拌区相似,但晶粒尺寸明显大于母材;热影响区和母材区均表现回火组织特征.搅拌区硬度显著提高,分布均匀;热力影响区硬度值变化较大;热影响区发生软化,其硬度值在接头区域最低.随着拉伸测试温度的增加,搅拌区的屈服强度单调降低,抗拉强度先增大后减小,而断后伸长率先减小后增大.

钇对9Cr-2WVTa低活化马氏体钢力学性能的影响

研究了稀土合金元素钇对聚变堆用低活化马氏体钢9Cr-2WVTa力学性能的影响,分析了钇在低活化马氏体钢中的冶金行为。研究结果表明,钇元素容易在钢中聚集形成富钇的块状夹杂,割裂了基体的连续性,容易破裂形成微孔;轧板中这些富钇块夹杂沿着轧制方向成条线状分布,使得在拉伸和冲击断裂时出现断口分层现象,降低了钢的力学性能。

硅对9Cr-1.5WVTa低活化马氏体钢力学性能的影响

基于中国正在研究的聚变堆用9Cr-1.5WVTa低活化马氏体钢(CLAM钢),研究了添加合金元素硅对CLAM钢力学性能的影响。结果表明,添加0.2%Si使得CLAM钢的抗拉强度和屈服强度明显提高,钢的塑性和冲击韧性同时也得到一定提高,其中,韧脆转变温度(DBTT)由-13℃降至-30℃。未添加和添加0.29%Si的CLAM钢均为全马氏体组织,无δ铁素体存在。硅的添加使得9Cr-1.5WVTaSi钢的晶粒细化,从而提高了钢的拉伸和冲击性能。

中国低活化马氏体钢TIG焊焊缝耐液态Pb-Bi腐蚀性能分析

文中研究了中国低活化马氏体(china low activation martensitic,CLAM)钢对接双层TIG焊焊缝在高速流液态Pb-Bi中的腐蚀行为.结果表明,腐蚀的主要特征是元素扩散迁移和表面形成双氧化层结构.焊后热处理改善了CLAM钢焊缝耐液态Pb-Bi腐蚀性能.研究发现试样经760℃保温0.5 h的回火热处理后,耐腐蚀性能最好.均匀细小的马氏体组织有效地提高了焊缝的耐蚀性能,马氏体组织的尺寸大小是焊缝耐蚀性能的决定性因素.试样焊缝区最先损坏,表现为内氧化层中出现裂纹导致氧化层脱落.因此,提高反应堆结构材料焊缝处的耐腐蚀性能可以有效延长结构材料的使用寿命.

CLF-1低活化铁素体/马氏体钢真空电子束焊接研究

针对中国固态增殖剂试验包层模块(TBM)的结构材料CLF-1低活化铁素体/马氏体钢,开展了真空电子束焊接试验,并在740℃/1.5 h条件下进行了焊后热处理(PWHT)。焊后表面成形良好,无任何表面缺陷。基于焊缝中气孔的形成机理,通过电子束重熔焊接的方法解决了焊后存在大量链状气孔的问题。分析了焊接接头的金相组织、力学性能及各合金元素的能谱分布。结果表明,焊态和热处理态的焊缝金属中主要均由板条马氏体组成,在电子束焊接过程中各主要的合金元素也未烧损,热处理态的焊缝抗拉强度较焊态略有下降,同时韧性有所提高。基于电子束焊接试验,成功试制了TBM模块盖板模拟件。

中国低活化马氏体钢在电子辐照下产生位错环的原位观察

高流强的中子辐照在结构材料内部产生严重的级联离位损伤,使得材料性能下降,而辐照缺陷是聚变堆材料性能下降的根本原因.为了研究结构材料在高辐照剂量下的损伤机理,针对中国低活化马氏体钢(CLAM钢),通过使用高能电子辐照来模拟中子对材料造成的高剂量辐照损伤,并对微观结构进行原位观察.进行了辐照下产生的位错环随辐照剂量的演化过程的观察,并分析了位错环浓度和尺寸随辐照剂量和温度的变化规律.