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。

改进后光声压电技术对低活性铁素体/马氏体钢热扩散率的测量研究

利用改进后的光声压电技术开展了对聚变堆用结构材料-低活性铁素体/马氏体钢(RAFM)CLF-1热扩散率的测量研究。首先,介绍了改进后的光声压电理论模型,并分析确定了高精度测量热扩散率的实验条件;其次,搭建实验系统,通过对参考样品镍的热扩散率检测,完成了测试系统的校准;最后,对RAFM钢CLF-1的热扩散率进行了测量研究。研究表明,RAFM钢CLF-1具有好的热扩散特性,是一种具有优质导热性的聚变堆结构材料。改进后的光声压电技术可以有效确定RAFM钢CLF-1的热扩散率,为聚变堆用结构材料的热物理特性研究提供了一种有效手段。

12Cr3W低活性铁素体/马氏体钢中析出的行为

在Thermo-Calc热力学软件的辅助设计下,制备了一种针对超临界水堆工况的12Cr低活性铁素体/马氏体钢。通过显微组织观察与分析,同时结合热力学及动力学计算,研究了含12%(vol%)δ铁素体的12Cr3W钢析出行为。结果表明:1050℃淬火780℃回火后,12Cr3W钢中析出相主要为M23C6和Cr2N。M23C6主要在回火马氏体内析出,而针状Cr2N则主要在δ铁素体内析出,Cr2N相对于M23C6容易发生粗化长大,计算结果与实验值吻合。12Cr钢淬火回火后的析出相组成受δ铁素体影响。借助于Thermo-Calc软件计算得到的热力学平衡相图选择合适的淬火温度,可以有效控制淬火后δ铁素体相含量,从而优化显微组织中析出相。

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。

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。

热处理对电弧熔丝增材制造核电用铁素体/马氏体钢微观组织与力学性能的影响

采用电弧熔丝增材制造(wire and arc additive manufacturing,WAAM)技术制备了低活化铁素体/马氏体钢(reduced activation ferrite/martensite steel,RAFM钢),通过光学显微镜、扫描电子显微镜和透射电子显微镜等观察微观组织变化,通过拉伸试验进行力学性能测试,研究了热处理工艺对其微观组织和力学性能的影响.结果表明,打印态的RAFM钢微观组织为铁素体+回火马氏体的双相组织,平均晶粒尺寸约为1.51μm.经过热处理,RAFM钢的晶粒尺寸没有明显增长(1.84μm),并在微观组织中保留了高密度位错.此外,热处理后高数密度TiO2二次相纳米颗粒在基体中析出,并弥散分布在基体中,其尺寸在5~10 nm.热处理后的RAFM钢抗拉强度显著提高,断后伸长率略微下降,其室温抗拉强度为1080 MPa,在650℃下测试的抗拉强度仍可达285 MPa.创新点:(1)系统研究热处理对电弧熔丝增材制造低活化铁素体马氏体钢的相组成、晶粒尺寸、析出相的影响.(2)阐明热处理对电弧熔丝增材制造低活化铁素体马氏体钢力学性能的强化机制.

低活化铁素体/马氏体钢离子辐照后的微观结构变化

采用100keV的氢离子在450℃对两种成分的低活化铁素体/马氏体钢进行了辐照实验;同时为了对比研究低活化铁素体/马氏体钢中的合金元素在辐照过程中的行为,将Fe-10Cr合金以及纯铁一起进行了离子辐照.通过透射电子显微镜观察发现,当辐照剂量为1×1017H+/cm2时,在低活化铁素体/马氏体钢中产生了一定数量的位错缺陷,另外,发现有大量富含合金元素Cr的点状析出物产生.

氧化物弥散增强低活化铁素体/马氏体9Cr钢的显微组织与拉伸性能

采用粉末冶金法制备了核聚变反应堆第一壁候选结构材料——氧化物弥散强化低活化9Cr钢,采用XRD、OM、SEM、EDS等对合金化之后的粉体及烧结体的组织进行了分析,讨论了球料比对粉体特性以及烧结温度对烧结体组织与抗拉强度的影响。结果表明:球料比为20:1、球磨48 h的粉体颗粒呈片层状,尺寸较均匀,合金化效果较好;烧结温度在1300～1390℃范围内,随着温度的提高,烧结体的孔隙率降低,组织更加均匀,抗拉强度由376.0MPa逐渐增大到562.9MPa,伸长率同步增大,最大为20.2%。

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.

钽添加量对氧化物弥散强化低活化铁素体马氏体钢组织和力学性能的影响

采用粉末冶金法制备了不同钽添加量的氧化物弥散强化低活化铁素体马氏体钢,研究了钽添加量对该钢组织与力学性能的影响。结果表明:该钢的力学性能随着钽添加量的增多先升高后下降;当钽的添加量为0.18%时,晶粒细小均匀,在晶粒内有大量二次细小的TaC粒子弥散均匀析出,合金的力学性能最优,室温抗拉强度和伸长率分别为632MPa和24.2%,300℃下的抗拉强度和伸长率分别为557MPa和23.1%。

低活化铁素体/马氏体钢原奥氏体晶界显示技术探讨

基于原奥氏体晶界浸蚀机理,通过评价低活化铁素体/马氏体钢原奥氏体晶界的显示效果,对浸蚀剂的配方、缓蚀剂含量及浸蚀时间进行了研究。结果表明:该钢在氯化铁+硝酸水溶液中可以浸蚀出马氏体板条及板条界面处弥散分布着的形貌与尺寸不同的细小析出相,而原奥氏体晶界显示效果不佳;饱和苦味酸水溶液+缓蚀剂能浸蚀出清晰的晶界。缓蚀剂过少,浸蚀速率过高,控制难度较大,达不到抑制晶内组织显像的效果;缓蚀剂过多,易在金属表面吸附成膜,浸蚀速率过低,晶界和晶内组织的浸蚀显像同时受到抑制。在100mL饱和苦味酸水溶液+08.g缓蚀剂中微沸热浸蚀4min,该钢的晶界清晰可辨。对比能谱分析结果可知,最优浸蚀配方的金相图能更直观地辨识出晶界和晶粒大小,对制样要求较低,图片采集过程更加简单、高效。

低活化铁素体/马氏体钢焊接技术的研究现状

低活化铁素体/马氏体钢具有高热导率、低热膨胀系数、耐高温、抗辐照性能优异等优点,被认为是目前快堆燃料组件和未来核聚变堆包层模块的关键结构材料,而焊接技术是其在核工业领域制备工业构件并获得广泛应用的关键。综述近年来国内外低活化铁素体/马氏体钢焊接研究进展,总结了不同焊接方法获得的焊接接头微观组织特征和力学性能。与其他焊接技术相比,搅拌摩擦焊作为新型固相连接工艺,可以避免传统熔焊方法产生的缺陷,大幅度地提高低活化铁素体/马氏体钢焊接接头性能,有望在低活化铁素体/马氏体钢焊接上实现广泛应用。

低活化铁素体/马氏体钢厚板真空电子束焊接接头组织及性能分析

针对聚变堆氚增殖剂试验包层模块(TBM)结构材料CLF-1低活化铁素体/马氏体钢,进行真空电子束焊接试验,并对焊接接头的显微组织及力学性能进行分析研究。结果表明:采用电子束焊接的焊缝表面成形良好,无气孔、裂纹等焊接缺陷;焊接接头横截面呈典型的匙孔穿透焊缝形貌,焊缝金属显微组织为较粗大的板条马氏体,熔合线附近为马氏体、少量铁素体和魏氏体组织的混合组织;热影响区主要由马氏体和残余奥氏体组成,且晶粒尺寸大小由焊缝向母材依次减小。经710℃,210 min焊后热处理,焊缝区显微硬度均值为350 HV,存在明显的硬化现象;常温下接头平均抗拉强度为635MPa,断裂位置处于远离焊缝的母材侧,550℃高温抗拉强度均值为350 MPa,断裂位置在焊缝区;经180°侧弯试验,焊缝表面无肉眼可见裂纹,焊接接头具有较好的力学性能。

冷变形对12Cr铁素体/马氏体钢回复与再结晶过程的影响

研究了一种新型高Cr低活性铁素体/马氏体(F/M)钢用作超临界水堆燃料包壳管用候选材料,研究冷变形对其铁素体和板条马氏体双相组织的回复、再结晶过程的影响。结果表明,不同冷变形量对板条马氏体再结晶的促进程度不同,10%冷变形后780℃高温退火只发生回复,回火马氏体板条发生合并与迁移;60%冷变形后780℃高温退火,回火马氏体发生快速回复和再结晶。相同冷变形量下,高温退火时回火马氏体会优先于铁素体发生再结晶。12%δ铁素体的存在并不会明显延缓回火马氏体的再结晶过程,长时退火后,少量的铁素体晶粒都会转变成二次再结晶铁素体晶粒,最终组织为细晶铁素体。

9Cr3W低活性马氏体钢微观组织及力学性能的初步研究

通过提高W含量,调整V、Ta、Ti、N等微合金元素含量,设计了9Cr3W型低活性马氏体钢。研究了该钢的微观组织结构与硬化、时效及相转变行为,对其进行了拉伸性能和冲击韧性测试。与Eurofer97钢相比,该钢表现出优良的高温拉伸性能。分析了9Cr3W钢用作超临界水堆堆芯内部件及包壳材料的可行性,其高温力学性能远优于Zr合金包壳材料;拉伸性能与T91钢相当,且韧脆转变温度低于T91钢,冲击吸收功上限高于T91钢,具有优良的冲击韧性;9Cr3W钢的高温瞬时强度低于奥氏体316不锈钢,成为制约其用于超临界水堆堆芯内部件及包壳的因素之一。

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。

球形压头半径对离子辐照后RAFM钢硬度及力学性能提取的影响

纳米压痕仪中压头形状直接决定压头载荷-深度曲线,进而影响宏观力学性能的提取,但压头半径对辐照后材料硬度及力学性能提取的影响依然缺乏深入的研究。本文研究了不同半径球形压头(0.3、1.0和10.0μm)对辐照后低活化铁素体/马氏体(RAFM)钢硬度和力学性能提取的影响。不管压头半径如何改变,所有辐照样品均出现反尺寸效应,纳米压痕仪接触面积测量误差是导致该现象产生的主要原因。此外,离子辐照后所有样品均出现辐照硬化,但随着辐照剂量的增加,硬化现象逐渐减弱,直至出现辐照软化。相同载荷与辐照剂量条件下,低活化铁素体/马氏体钢硬度随压头半径的增加而逐渐降低。不管辐照剂量如何改变,随着压头半径的增加,提取出的弹性模量逐渐增加而屈服强度逐渐减小。相同压头半径时,弹性模量和屈服强度随辐照剂量的增加均呈现先增加后减小的趋势。对比未辐照样品,压头半径增加至10.0μm时,所提取出的屈服强度和弹性模量更接近于拉伸实验所获得的数值。以上结果表明:球形压头可用于提取离子辐照后低活化铁素体/马氏体的宏观力学性能,并且半径越大预测结果越接近拉伸实验所获得的数值。

RAFM钢中氚氦行为的研究进展

低活化铁素体/马氏体(RAFM)钢是未来磁约束核聚变堆产氚包层推荐的主体结构材料,将在ITER实验包层模块中进行考核。氚及氚衰变氦-3在RAFM钢中的驻留行为将影响所产生氚的有效利用并导致材料的结构损伤,因此RAFM钢的涉氚相容性是其最终应用于聚变堆结构材料之前必须考核的问题之一。总结了国内外对RAFM钢的氚氦相容性研究进展情况,提出了一些要解决的关键问题和将来的研究方向。

冷却速度对低碳贝氏体钢组织性能的影响

本文研究了一种低碳贝氏体钢经不同冷速处理后组织性能的变化。在0.9℃/min的冷速下,几乎得到全部粒状组织,随冷速增大,粒状组织减少,粒状贝氏体增多,当冷速增到156℃/min时基本上全成为粒状贝氏体。结果表明,粒状贝氏体比粒状组织具有更高的强韧性。在0.9～156℃/min的冷却速度范围内,冷速加快,夏氏冲击韧性从46J/cm^2提高到111J/cm^2,屈服强度、抗拉强度也有较大提高。冷速进一步增加,冲击韧性显著下降,强度仅略有提高。本文对粒状贝氏体的强韧化机理作了初步分析。