15-15Ti奥氏体不锈钢热老化小尺寸试样单轴拉伸行为的GTN微观损伤模型研究

通过加速热老化试验模拟了15-15Ti奥氏体不锈钢的辐照效应,构建了Ramberg-Osgood力学本构模型和GTN(Gurson-Tvergaard-Needleman)微观损伤模型。结合有限元方法,探讨了热老化不同时间的15-15Ti奥氏体不锈钢小尺寸试样在不同温度拉伸试验过程中的应力-应变响应行为和损伤断裂过程。结果表明:热老化小尺寸试样中有少量碳化物析出和大量σ相形成,导致其抗拉强度和屈服强度显著下降;未热老化试样的拉伸断口中有大量韧窝,为韧性断裂,而热老化试样的拉伸断口中韧窝数量明显减少,析出相周围有撕裂棱,为脆性断裂;热老化试样标距段的应力集中和颈缩均延迟发生;热老化试样的断裂应变明显小于未热老化试样;热老化能促使小尺寸试样中孔洞的聚集和增多,从而加速失效。

15-15Ti ODS奥氏体钢晶粒组织与纳米粒子的透射电镜表征

15-15Ti奥氏体不锈钢由于其优异的耐腐蚀性能和高温力学性能成为钠冷快堆包壳的候选材料,其高温力学性能和抗辐照肿胀能力可以通过氧化物弥散强化(ODS)进行增强。本工作对通过机械合金化以及锻造工艺制备的15-15Ti ODS奥氏体钢和作为参比材料的15-15Ti奥氏体钢的微观结构进行研究,对ODS钢中氧化物颗粒的分布以及强化机制有了较为深入的认识。研究发现氧化物弥散粒子分布总体均匀但有成团聚集倾向。Y-Zr-O粒子的平均粒径为(9.97±0.04) nm,平均粒距为(17.25±0.68) nm,数密度约为4.49×10^(22)m^(-3)。在透射电镜明场像下观察到ODS样品中氧化物颗粒对位错的钉扎作用。扫描透射(STEM)结合能谱分析显示ODS样品中有两种氧化物,分别为占比较少的Al_(2)O_(3)以及占比较多的Y_(4)Zr_(3)O_(12)。高分辨电镜表征发现第二相粒子与基体之间出现共格或半共格界面的迹象,并且少数粒子周围出现非晶化界面。

T91/15-15Ti异材焊接接头微观组织和力学性能研究

T91和15-15Ti是第4代核能钠冷快堆和铅铋快堆候选结构材料,国内外对铁素体/马氏体钢和奥氏体钢焊接性能、焊后热处理、焊接应力等进行了广泛的研究。本文对T91/15-15Ti试板焊态和热处理态焊接接头的焊缝、热影响区和母材微观组织和力学性能变化进行了研究,为T91和15-15Ti异材焊接参数选用和材料应用提供实验数据。

15-15Ti高温蠕变性能的研究

对20%冷加工的15-15T不锈钢分别在625℃和700℃、100~350 MPa条件下开展单轴蠕变实验。通过OSD参数法和θProjection方程对蠕变数据进行处理,并结合微观结构,分析其蠕变性能。结果表明:OSD参数法和θProjection方法预测的结果与实验结果具有较好的一致性;在625℃时,随着应力的降低,蠕变断口逐渐从穿晶韧性断裂向沿晶断裂转变;在晶界和晶粒内部均发现析出物,而晶粒内的析出物会阻碍位错运动。

15-15Ti钢上Ti/TiN/SiC薄膜的制备及耐铅铋合金腐蚀性能研究

文章采用磁控溅射法在15-15Ti钢表面沉积Ti/TiN/SiC功能梯度薄膜,并用X射线衍射仪(X-ray diffraction,XRD)、场发射扫描电子显微镜(field emission scanning electron microscope,FESEM)和原子力显微镜(atomic force microscope,AFM)表征薄膜的结构和形貌,并研究了镀膜15-15Ti钢在Pb-Bi合金溶液中的耐腐蚀性能。结果表明,镀膜后的15-15Ti钢在Pb-Bi合金溶液腐蚀后表面无Fe_3O_4氧化层出现,其耐腐蚀性能得到提高。

热处理对15-15Ti不锈钢包壳管组织及拉伸性能的影响

研究了热处理温度和保温时间对15-15Ti不锈钢包壳管组织及拉伸性能的影响。结果表明:15-15Ti不锈钢平均晶粒尺寸随热处理温度的升高及保温时间的延长而逐渐增大;在保温时间5~60 min下的晶粒长大表观激活能为419.03~502.17 kJ/mol;平均晶粒尺寸与保温时间呈抛物线关系,动力学时间指数η随温度的升高呈先不变后增大的趋势;在不同保温时间下,抗拉强度随温度及保温时间的变化趋势基本相同,随温度的升高及保温时间的延长而逐渐降低;在不同热处理条件下的规定塑性延伸强度与平均晶粒尺寸符合Hall-Petch关系。

15-15Ti奥氏体不锈钢的蠕变性能

在600,650,700℃下对国产15-15Ti不锈钢进行不同应力水平的蠕变试验,观察了蠕变断口形貌,研究了该钢的蠕变变形机理与断裂机理。结果表明:在不同温度和应力下,15-15Ti不锈钢的蠕变曲线可以分为减速蠕变、稳态蠕变和加速蠕变三个阶段,稳态蠕变阶段的时间占整个蠕变的90%以上;随着应力的降低,稳态蠕变阶段越来越明显,蠕变寿命延长,蠕变伸长率减小;15-15Ti不锈钢在600,650,700℃下的应力指数分别为14.3,8.2,4.9,蠕变变形机理为位错蠕变;15-15Ti不锈钢的短时蠕变断裂性质为穿晶断裂,长时蠕变断裂性质为沿晶断裂,穿晶断裂呈现韧性断裂特征,沿晶断裂呈现明显的晶界空洞损伤机制。

国产快堆包壳材料15-15Ti不锈钢的拉伸行为研究

冷加工的15-15Ti奥氏体不锈钢,具有良好的高温机械性能、耐钠腐蚀性能以及抗辐照性能,是一种快堆包壳的有力候选材料。本研究选取了一种国产15-15Ti钢材,对其在25~700℃范围内进行了一系列拉伸试验,考察温度对不锈钢拉伸行为的影响。结果表明,15-15Ti不锈钢的强度与塑性指标都在在200~550℃左右出现平台区,并发现材料在一定拉伸速率与温度下出现锯齿状塑性流变现象。

快堆15-15Ti不锈钢结构件渗铬氮化工艺研究

快堆具有较高的转换比及燃料的可循环性,是第四代先进反应堆堆型的代表。堆内处于高温、高辐照损伤及熔融金属钠环境导致15-15Ti材料需要局部需要进行强化来避免关键结构件之间接触发生扩散性咬合、擦伤、磨损。通过对国产核级15-15Ti材料进行表面进行渗铬氮化研究,初步确定了能够实现可用于快堆组件结构材料表面强化的工艺。

15-15Ti钢表面AlN/SiC双层薄膜的制备及耐Pb-Bi溶液腐蚀性能

采用磁控溅射法在15-15Ti不锈钢上沉积AlN/SiC双层薄膜,并在800℃氩气气氛中退火120 min。用XRD、AFM和SEM表征了薄膜的结构和形貌。测试了镀膜前后15-15Ti钢在500℃持续1000 h条件下在含氧质量分数为(0.76~1.39)×10-8%的铅铋溶液中的耐腐蚀性能。结果表明:未镀膜15-15Ti钢的腐蚀层厚度约为600 nm,并且钢发生了溶解腐蚀;而镀膜后的钢未发现铅铋合金的侵蚀现象,钢的耐腐蚀能力明显提高。

快堆燃料组件包壳管用15-15Ti不锈钢的热塑性

采用Gleeble-3500热模拟试验机对快堆燃料组件包壳管用15-15Ti不锈钢的热塑性进行了研究,绘制了热塑性曲线,并对所有热拉伸试样断口及轴向金相组织进行了解剖分析。结果表明:在应变速率为1 s^-1、温度为900~1200℃时,15-15Ti不锈钢具有良好的高温热塑性,断面收缩率为82.2%~98.9%,温度为1150℃时达到最大;不锈钢在热拉伸试验过程均发生了明显的颈缩现象,且拉伸断口韧窝随温度的升高而增加、变深,当温度为1150℃时,韧窝最深,尺寸最大,温度达到1200℃时,韧窝仍然较深,尺寸略微减小;不锈钢热拉伸断口的动态再结晶比例随温度的升高而增大,在1000~1200℃时发生了完全动态再结晶。应变速率为1 s^-1时,15-15Ti不锈钢最佳的热加工温度为1000~1200℃。

铅合金液态金属冷却快堆用15-15Ti包壳管的试制

针对15-15Ti包壳管的工业化生产工艺研究,采用真空感应(VIM)+真空自耗(VAR)+热锻工艺制造出15-15Ti不锈钢管坯,经过热穿孔+冷轧+冷拔工艺成功研发了规格为Φ9.3 mm×0.6 mm的包壳管,并对其表面质量、尺寸精度、金相组织及性能进行了检测。结果表明,15-15Ti包壳管冶炼及制管工艺可靠,表面质量及尺寸精度良好;包壳管基体为全奥氏体组织,晶粒度约为7.44级,拉伸性能、硬度、工艺性能及耐晶间腐蚀性能优良,满足使用要求。

快中子增殖反应堆燃料元件包壳材料的晶界工程技术应用展望

针对钠冷快中子增殖反应堆(简称快堆)燃料元件包壳材料316以及15-15Ti奥氏体不锈钢,讨论了通过晶界工程(grain boundary engineering,GBE)技术进一步提高材料抗辐照肿胀以及抗蠕变性能的可行性.通过GBE技术能够大幅增加材料中与孪晶相关的低Σ重合位置点阵(coincidence site lattice,CSL)晶界比例.快堆燃料元件包壳在固溶退火处理后还要经过20%左右的冷加工变形,目的是在显微组织中引入大量位错,吸收由辐照产生的点缺陷,并增加吸收裂变产物的陷阱.如果在这样的冷加工变形前大幅提高材料的低ΣCSL晶界比例,使冷加工变形时的位错滑移在具有特殊取向关系的晶粒间的传播以及位错在特殊结构晶界处的堆积排列发生变化,那么就有可能使冷加工后位错的分布状态有利于吸收更多的由辐照产生的点缺陷,提高材料抗辐照肿胀的能力.