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。

液态铅基合金中铁素体/马氏体钢腐蚀的微尺度模拟计算研究

铅基合金是目前国际上首选的ADS散裂靶和冷却剂材料,其对结构材料的腐蚀问题会影响核反应堆的安全运行。本研究采用第一性原理方法研究了铁素体/马氏体钢(FM钢)和其表面Fe_(3)O_(4)氧化膜层在铅基合金介质中的腐蚀特性。研究结果表明,FM钢侧的空位和铅基合金中的溶解氧增强FM/PbBi界面的稳定性和结合强度;氧空位和铅空位都显著降低Fe_(3)O_(4)/PbBi界面的结合强度。

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.

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。

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。

先进快堆外套管材料铁素体/马氏体钢研究进展

介绍了快堆外套管材料的使用要求以及国内外快堆外套管材料的选用情况,论述了快堆中中子辐照对铁素体/马氏体钢的微观结构和力学性能的影响,并介绍了国产快堆外套管材料铁素体/马氏体钢的研发计划。铁素体/马氏体钢具有优异的抗辐照肿胀性能,T92钢作为第三代铁素体/马氏体钢同时具有良好的高温强度,被作为国产快堆外套管的首要候选材料。

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.

铁素体/马氏体钢和奥氏体不锈钢在超临界水中的腐蚀行为

采用腐蚀增重法,结合扫描电镜、能谱分析和X射线衍射技术对比研究了铁素体/马氏体钢P92和奥氏体不锈钢HR3C在550~650°C/25 MPa的超临界水中的腐蚀行为.结果表明,2种材料以均匀腐蚀为主,并且腐蚀增重均服从幂指数规律.P92钢的腐蚀增重比HR3C钢高近2个数量级,其表面氧化膜为典型的双层结构;温度极大地加速了P92钢的腐蚀,当温度低于650°C时其表面氧化膜完整连续,而在650°C时表面氧化膜出现开裂.HR3C钢的腐蚀增重随温度的升高而增大,但是并不明显;HR3C钢表面出现了少量的疖状腐蚀,基体材料内的Cr极大地抑制了疖状腐蚀的发展,其深度约为2μm.

铁素体/马氏体钢和奥氏体不锈钢的液态铅铋腐蚀行为与机理

液态铅铋共晶合金[liquid lead-bismuth eutectic,LBE,Pb 44.5 Bi 55.5,%(质量分数)]具有优异的热工水力和中子学性能,是第四代液态金属冷却快堆最重要的冷却工质之一。但是,液态铅铋冷却快堆的主要候选材料包括铁素体/马氏体钢(如T91)和奥氏体不锈钢(如316L和15-15Ti)存在液态金属腐蚀问题,一定程度上阻碍了液态铅铋快堆工程化应用进度。本文综述了液态铅铋腐蚀的基本机制以及铁素体/马氏体钢和奥氏体不锈钢的液态铅铋腐蚀行为,总结了抑制液态铅铋腐蚀的主要方法,并展望了未来研究方向。

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。

11Cr铁素体/马氏体钢高温拉伸时的锯齿流变现象

在应变速率为2×10-5~1×10-3s-1范围内以及不同温度(600~700℃)下,对11Cr铁素体/马氏体钢进行拉伸试验,研究其在变形过程中的锯齿流变现象。结果表明:试验钢在变形过程中出现了"反常"锯齿流变,且只出现一种E型锯齿波;锯齿开始出现在拉伸应力最大值附近,锯齿波主要处于拉伸曲线的下降段;锯齿形成的有效激活能约为43.44kJ·mol-1;高温时,置换原子气团能量高,完全钉扎住位错,当一定数量的位错达到临界运动速度时,摆脱了置换原子气团的钉扎,从而导致产生锯齿流变现象。

P92铁素体/马氏体钢高温辐照效应研究

利用纳米压痕技术、聚焦离子束(FIB)提拉法以及透射电子显微镜(TEM)对3.5Mev的Fe^(13+)在700℃辐照下的P92钢的微观结构和力学性能的变化进行了研究。纳米压痕结果表明辐照后的P92钢的纳米硬度有了明显的减少,而且在3.77dpa辐照剂量下的硬度值比0.75dpa下的低。能谱分析结果显示辐照后Cr和W元素的含量增加,而Fe元素含量则减少,随着辐照剂量的增加,这种变化趋势会更加大。通过对两种<100>和1/2<111>不同的位错缺陷的研究,发现辐照后位错环的数量密度减少了但是尺寸大小增加了。研究还发现经过700℃后,结合辐照后P92F/M钢微观组织的演变和硬度的变化,对高温辐照软化机制进行了阐述,表明材料辐照损伤行为存在温度效应。

预氧化处理对12Cr铁素体/马氏体钢耐Pb-Bi腐蚀性能的影响

针对液态Pb-Bi共晶(LBE)冷却快堆开发了一种新型高硅12Cr铁素体/马氏体钢,为进一步增强其耐Pb-Bi腐蚀性能,提升燃料组件的安全性,采用预氧化法对其进行了表面防护处理,表征了预氧化膜的结构,分析了预氧化处理对12Cr铁素体/马氏体钢耐550℃饱和氧LBE的腐蚀性能的影响。结果表明,该钢在720℃、1%O_(2)+99%N_(2)气氛中预氧化1 h时形成的氧化膜主要是(Fe,Cr)_(2)O_(3)和MnCr_(2)O_(4)氧化物,此氧化膜可有效阻止钢中Fe元素的向外扩散和LBE中O元素的向内扩散,进而提升了材料的耐LBE腐蚀性能。但由于Mn较高的扩散速率和在LBE中较高的溶解度,预氧化膜中的Mn元素会逐渐扩散和溶解至LBE,导致部分氧化膜失效并形成局部腐蚀区,当LBE腐蚀1000 h后,合金表面的局部腐蚀区可达60%。本工作揭示了新型高硅12Cr铁素体/马氏体钢中预氧化膜的微观结构、保护效果和失效机制,为进一步提升其预氧化膜的有效性和稳定性指明了方向。

耐Pb-Bi腐蚀Si增强型铁素体/马氏体钢和奥氏体不锈钢的研究进展

结构材料是制约铅冷快堆建设的关键因素之一,原因是其组成元素在液态Pb-Bi共晶(LBE)中会发生不同程度的溶解,影响结构安全。候选结构材料铁素体/马氏体钢T91与不锈钢316在550℃饱和氧LBE环境中发生快速氧化腐蚀;溶解氧浓度降至1.26×10^(-6)%(质量分数)可减轻T91的液态LBE腐蚀,但低于1×10^(-6)%时,T91与316钢发生溶解腐蚀;T91液态LBE脆化敏感性高,导致其在350℃液态LBE中腐蚀疲劳寿命显著降低。与商用的(9%~12%)Cr铁素体/马氏体钢和316型奥氏体不锈钢相比,经微合金化的Si增强型铁素体/马氏体钢(9Cr-Si和12Cr-Si)和奥氏体不锈钢(ASS-Si),具有较好的组织稳定性和综合力学性能,且在液态LBE中形成的富Si氧化物提高了氧化膜的致密性,改善了其耐腐蚀性能,在550℃下静态饱和氧和动态控氧LBE环境中的溶解腐蚀受到抑制,有望满足铅冷快堆的设计需求。

Si对9Cr型铁素体/马氏体钢析出相和力学性能的影响

研究了Si含量对9Cr型铁素体马氏体(F/M)钢析出相和力学性能的影响。结果表明:在不同Si含量的9Cr型F/M钢中析出相均为M_(23)C_(6)、MX和Laves相,Si能促进Laves相和M_(23)C_(6)型碳化物的析出。Si含量为0.9%~1.2%的这种钢其拉伸强度和延伸率略有降低,冲击性能维持稳定;Si含量为1.2%~1.8%时,Si的固溶强化和析出相的沉淀强化使钢的拉伸强度提高。但是,随着Si含量的进一步提高Laves相和M_(23)C_(6)型碳化物大量析出,使其冲击功显著衰退。

铁素体/马氏体钢在液态铅铋中的断裂力学试验研究进展

基于第四代核反应堆的发展与需要,具有低熔点的铅基快堆成为当前研究热点之一.作为铅基快堆中的冷却剂,铅铋共晶合金(LBE)对铁素体/马氏体钢断裂性能的影响成为了研究热点.论文首先介绍了铁素体/马氏体钢在液态铅铋中的相容性研究进展,包括液态金属腐蚀(LMC)和液态金属脆化(LME)两个方面,然后分析了液态金属环境下断裂力学测试方法,阐述了液态铅铋共晶合金对铁素体/马氏体钢断裂性能的影响,最后总结了铁素体/马氏体钢在液态铅铋中断裂的微观机制.

热时效对含硅铁素体/马氏体钢力学性能的影响

对4种不同Si含量的9Cr-铁素体/马氏体(F/M)钢开展550℃热时效实验(最长时间为5000h),测试其屈服强度(R_(p0.2))、抗拉强度(R_(m))、延伸率(A)等力学性能,并结合扫描电子显微镜/能谱仪(SEM/EDS)、透射电子显微镜(TEM)表征手段,研究微观组织结构与力学性能之间的关联规律。结果表明:添加少量的Si可以提高9Cr-F/M钢的强度,且Si含量(质量分数)为0.7%时,R_(p0.2)和R_(m)达到最大值,但Si的添加会促进Laves相析出;时效时间(t)对9Cr-F/M钢的塑性有显著影响,当t<2500 h时,9Cr-F/M钢的塑性变化不大,但当Si含量提高至1.0%,经5000 h时效后塑性大幅下降,这归因于Laves相在晶界的析出和长大。