FeCrAl合金管TIG焊焊接接头的组织及性能

采用TIG(Tungsten inert gas welding,TIG)焊对FeCrAl合金管同质材料进行焊接,通过扫描电子显微镜、透射电子显微镜及能谱仪等手段研究了焊后接头的显微组织特征、焊后接头不同区域氧化物颗粒的分布情况及焊接接头的力学性能。FeCrAl合金TIG焊通过填充等成分的FeCrAl合金丝材进行焊接,焊后焊接接头主要由焊缝区、热影响区及母材组成。其中焊缝区为粗大的铁素体组织,热影响区为细小的等轴晶组织。焊缝区的Y_(2)O_(3)氧化物颗粒发生了明显粗化并与基体反应生成复合氧化物Y_(3)Al_(5)O_(12)。TIG焊焊接FeCrAl合金管热处理后,焊接接头最大抗拉强度值为530 MPa,约为母材强度的80.8%,可以实现大口径、大壁厚的FeCrAl合金管材的对接接头的力学性能要求。

事故容错锆包壳表面FeCrAl合金涂层的研究进展

日本福岛核事故暴露出了核燃料包壳锆合金在失水事故工况下的致命缺陷,即锆水反应,同时也引发了高安全事故容错燃料(ATF)包壳材料的研究热点。表面涂层技术是一种有效提升现役锆合金包壳事故容错能力的重要途径,其中FeCrAl合金涂层由于具有优异的抗高温氧化性能和高温力学性能,是极具发展潜力的ATF包壳涂层候选材料之一。本文主要综述了FeCrAl合金涂层的制备工艺、成分组织、服役性能(力学、氧化、腐蚀、辐照)及失效机制,并对锆合金包壳/FeCrAl涂层体系在工程应用中存在的问题和未来的发展方向进行了分析与展望。

FeCrAl合金管材温轧组织演变及力学性能

对FeCrAl挤压管坯进行两道次温轧及退火热处理,分析了温轧及退火过程的组织演变及力学性能。结果表明:在本研究成分的FeCrAl合金管材温轧过程中,富含Nb、Ta、Mo元素的大尺寸不规则第二相颗粒破裂断开形成微裂纹、孔洞等缺陷;温轧过程变形不均匀,近外表变形程度高于近内表,由外至内硬化程度降低;经过退火后显微组织不均匀,由再结晶组织和变形组织组成,近外表再结晶程度高于近内表;一道次温轧管材850℃/1 h退火后完成大部分再结晶,抗拉强度为679 MPa,屈服强度为469 MPa,伸长率为27.75%,二道次温轧管材800℃/1 h退火后,由于退火温度不够,仅完成回复和局部再结晶,伸长率降低,抗拉强度为725 MPa,屈服强度为571 MPa,伸长率为19.50%。

FeCrAl合金显微组织腐蚀方法比较

采用光学显微镜和扫描电子显微镜对比分析了经4种不同腐蚀方法腐蚀的FeCrAl合金显微组织形貌。结果表明:腐蚀溶液为10 g三氯化铁+30 mL盐酸+120 mL蒸馏水,HF、HNO_(3)与H_(2)O的体积分数比例为1∶10∶50,HCl和H_(2)O的体积分数比例为1∶3的3种化学腐蚀方法均可明显观察到FeCrAl合金的晶粒形貌,优选HCl与H_(2)O混合溶液的热蚀方法,该方法得到合金的显微组织无晶界及晶粒明暗的干扰,晶粒度评级照片更清晰;10 g三氯化铁+30 mL盐酸+120 mL蒸馏水的腐蚀方法可用于观察和分析晶界;HF、HNO_(3)与H_(2)O的体积分数比例为1∶10∶50的腐蚀方法可用于第二相的观察及分析。

FeCrAl先进不锈钢包壳管材力学性能研究

文章采用万能试验机轴向和环向拉伸方式对FeCrAl先进不锈钢包壳管材在不同温度下的拉伸性能进行研究。研究结果表明,熔炼法制备的FeCrAl管材有更高的延伸率,粉末冶金法制备的FeCrAl管材有更高的屈服强度和抗拉强度。熔炼法和粉末冶金法制备的FeCrAl管材的屈服强度和抗拉强度均随温度升高而降低,延伸率随温度升高而增加。高温拉伸断口SEM微观分析表明,熔炼法FeCrAl断口为韧窝少而浅的韧性断裂,粉末冶金法FeCrAl断口为韧窝多而深的韧性断裂。

钼镧合金表面FeCrAl涂层耐腐蚀性能

采用非平衡磁控溅射工艺在Mo–La合金表面沉积FeCrAl涂层,研究所制备涂层的耐腐蚀性及涂层的腐蚀机理。结果表明:FeCrAl涂层样品在360℃、18.6 MPa、纯水的高压釜中腐蚀72 h,平均腐蚀速率为3.8 mg·dm^(-2),低于同条件下锆合金以及未沉积涂层的钼镧合金的腐蚀速率,且涂层中的Al与外界环境介质中的氧发生反应,在涂层表面形成致密的Al2O3薄膜,在一定程度上减缓了涂层的腐蚀速度,有效保护了基体材料。FeCrAl涂层样品在1200℃、0.1 MPa的高温水蒸气环境下腐蚀8 h,Al_(2)O_(3)氧化膜厚度在4.0μm左右,涂层维持保护效果,钼镧合金基体未暴露在腐蚀环境中;经淬火后,Al2O3氧化膜厚度减小至2.5μm左右,涂层依旧维持结构完整性,没有出现贯穿性脱落,满足Mo–La合金表面耐腐蚀性的使用要求。

脉冲TIG焊FeCrAl合金板材焊接接头的组织及性能

使用脉冲TIG焊对FeCrAl合金板材同质材料进行焊接,通过光学显微镜,扫描电子显微镜及能谱仪等手段研究了焊后接头的显微组织特征、焊缝区域氧化物颗粒的分布情况及焊接接头的力学性能。FeCrAl合金板材脉冲TIG焊通过填充等成分的FeCrAl合金丝材进行焊接,焊后焊缝为粗大的铁素体组织,热影响区为细小的等轴晶组织。脉冲TIG焊FeCrAl合金板材热处理后,焊接接头最大抗拉强度值为502 MPa,约为母材强度的65.4%,可以满足FeCrAl合金板材焊接接头作为承重结构时的力学性能需求。

核用锆合金耐LOCA事故FeCrAl合金体系涂层的发展现状

锆合金是应用最为广泛的核反应堆堆芯包壳材料,然而2011年福岛核泄漏事故暴露了锆合金自身耐高温水蒸气腐蚀性能的不足,事故容错型包壳的研究便自此展开.在锆合金表面沉积涂层是提高锆合金包壳管容错能力的重要手段之一,FeCrAl合金由于其在火力发电领域良好的表现而一直备受关注,并迅速成为了包壳管候选材料之一.文中主要综述了锆合金涂层材料FeCrAl及其衍生材料的研究进展,为FeCrAl作为锆合金涂层的实际应用提供了一定的参考.

FeCrAl合金板材TIG焊焊接接头的显微组织及性能

使用钨极气体保护(Tungsten inert gas welding,TIG)焊对FeCrAl合金板材进行双面及多层多道焊接,填充材料为等成分的FeCrAl合金丝材。焊后焊缝区为粗大的铁素体组织,热影响区为细小的等轴晶组织。本工作研究了焊接工艺参数对焊接接头的显微组织特征及力学性能的影响。经双面TIG焊焊接的FeCrAl合金板材,热处理后焊接接头的最大抗拉强度值为400 MPa,约为母材强度的52.2%。经多层多道TIG焊焊接的FeCrAl合金板材,热处理后焊接接头的最大抗拉强度值为482 MPa,约为母材强度的62.3%,可以满足FeCrAl合金板材焊接接头作为承重结构时的力学性能需求。

高预充压对UN-FeCrAl燃料棒性能影响分析

本文采用FUPAC对高预充压设计下的UN-FeCrAl燃料棒在高燃耗下的性能进行了分析。分析结果表明,高预充压设计下可有效增大芯块-包壳间隙闭合时间,在稳态工况下可避免芯块-包壳发生接触,降低包壳发生PCI破损的风险,同时将导致燃料棒内压相对较大,但得益于UN燃料芯块燃料温度较低的优点,其寿期末的燃料棒内压仍低于冷却剂压力,可满足燃料棒内压设计要求;此外,高预充压设计对燃料温度、裂变气体释放率的影响较小,并有利于降低包壳Mises应力和应变。

球磨时间对ZrC-FeCrAl粉末特性及合金力学性能的影响

为进一步提高FeCrAl合金的力学性能,采用机械球磨和放电等离子烧结(spark plasma sintering,SPS)技术制备了纳米ZrC颗粒弥散强化FeCrAl(ZrC-FeCrAl)合金,通过扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)、透射电子显微镜(transmission electron microscope,TEM)、氧含量分析、粒度分析、X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)分析、硬度测试、拉伸性能测试等方法,研究了球磨时间对粉末特性及合金力学性能的影响。结果表明,延长球磨时间有利于粉末颗粒细化,但氧含量过高会导致烧结材料力学性能恶化。当球磨时间为30 h时,粉末平均粒径为72.88μm,氧含量最低,为0.14%(质量分数);球磨30 h的ZrC-FeCrAl合金具有较好的力学性能,其放电等离子烧结样品的极限抗拉强度、延伸率和维氏硬度分别为1046 MPa、12.1%和HV 349.9。结果证实,添加纳米ZrC可以有效强化FeCrAl合金,为其在耐事故燃料包壳材料中的应用提供了数据支撑。

Zr702表面激光熔覆FeCrAl涂层微观组织及性能研究

目的优化激光熔覆工艺参数,制备综合性能良好的FeCrAl涂层,提高Zr702基体的表面性能。方法通过同轴送粉方式,利用激光熔覆技术在Zr702表面制备了FeCrAl涂层,采用配备能谱仪(EDS)的扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、数字显微硬度计、高速往复摩擦试验机及马弗炉研究了不同激光功率(1300、1400、1600、1800 W)与扫描速度(7、8、9 mm/s)对FeCrAl涂层成型质量、显微硬度、耐磨性及抗高温空气氧化性能的影响。结果从所制备涂层的宏观形貌及微观组织可以观察到,在激光功率为1600W、扫描速度为9 mm/s时,涂层成型质量最好。显微硬度测试结果表明,随着激光功率和扫描速度的增大,显微硬度呈减小趋势,但涂层显微硬度均高于Zr702基体,平均显微硬度约为基体的2.70~3.78倍。耐磨性能测试结果表明,涂层的磨损量小于Zr702基体,在激光功率为1600 W、扫描速度为7 mm/s时,磨损量最低。氧化结果表明,800℃氧化时涂层未表现出良好的防护作用,但在1000℃氧化时,涂层样品皆表现出优于Zr702基体的抗高温空气氧化性能。结论通过调整工艺参数,采用激光熔覆技术在Zr702表面制备FeCrAl涂层可改善Zr702基体的显微硬度、耐磨性及1000℃下的抗高温空气氧化性能。

耐事故燃料包壳材料FeCrAl合金耐腐蚀性能研究

随着ATF研究的深入及新材料的研发,FeCrAl由于具有高强度、优异的变形能力和抗高温氧化性能而备受瞩目。FeCrAl包壳的耐腐蚀性能直接影响到燃料芯块的安全和性能。为此,本文从其腐蚀行为机理出发,通过对氧化动力学、腐蚀过程及影响因素对其腐蚀行为进行分析,以期为FeCrAl在轻水堆的腐蚀研究提供参考。研究结果表明,FeCrAl合金中Cr元素和Al元素的抗腐蚀机制有差异,在不同氧化介质、不同温度下,FeCrAl合金的腐蚀是复杂的,伴随着不同成分、形态的单层或多层氧化物生成。

微量Y对FeCrAl合金包壳力学与氧化性能的影响

FeCrAl合金包壳作为事故容错燃料(Accident Tolerant Fuel,ATF)中长期可商用的技术途径得到了广泛关注。本文旨在研究微量Y对FeCrAl合金包壳力学与氧化性能的影响。采用光学显微镜观察FeCrAl和FeCrAlY合金晶粒尺寸和微观形貌。采用爆破试验机和热重分析仪开展内压爆破试验和高温水蒸气氧化试验。采用X射线衍射仪(X-ray Diffractometry,XRD)、扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)和能量色散谱仪(Energy Dispersive Spectrometer,EDS)观察FeCrAl和FeCrAlY合金氧化产物成分、表面及截面氧化产物形貌,并对其成分进行分析。研究结果表明:微量Y主要固溶到FeCrAl合金包壳基体中,未形成Fe-Y第二相;固溶到FeCrAl合金包壳基体中的Y未对室温到1000℃内压爆破强度和破口形貌产生影响;但添加微量Y显著改善了FeCrAl合金包壳的耐高温水蒸气氧化性能,800℃、1000℃和1200℃水蒸气氧化8 h条件下,氧化增重量分别下降65.1%、60.0%和31.5%。相比于FeCrAl合金包壳表面单一的Al2O3氧化膜,FeCrAlY包壳表面形成了内部应力更低、致密性更高、且与基体结合力良好的含Y复合氧化膜。由此可见,微量Y的添加对FeCrAl合金的内压爆破性能未产生显著影响,但耐高温水蒸气氧化性能得到显著提高。

Ti对ODS型FeCrAl合金表面氧化铝层中活性元素Y扩散的影响

利用机械合金化制备的氧化钇弥散强化(ODS)型FeCrAl合金广泛地应用于高温以及极端恶劣环境中。高温服役过程中FeCrAl合金表面形成致密且粘结性能好的氧化铝层是其抗高温、耐腐蚀的主要原因。同时,氧化铝层的综合性能特别是粘结性能极易受钇、铪、钛、硫等微量元素的影响。为此,结合表面形貌分析、断面形貌分析以及成分分析结果,主要研究了在高温环境中(1200℃)微量元素Ti对FeCrAl高温合金表面氧化铝层生长行为以及活性元素Y扩散的影响。结果表明:Ti的存在可以促进活性元素Y的向外扩散,在氧化铝层表面形成富含Y和Ti的氧化物。利用第一性原理计算,发现微量元素Ti在氧化铝层晶界上的扩散速率较快,同时微量元素Ti的添加改变了氧化铝层的热膨胀系数,提高了氧化铝层的粘结性能。

LaFe0.9Mg0.1O3/Al2O3/FeCrAl催化剂的研究

以FeCrAl合金为基材,经表面预氧化、AlOOH过渡层胶体涂覆、Al2O3过渡层载体涂覆、LaFe0.9Mg0.1O3固溶体催化活性组分的负载等一系列工艺,制备出LaFe0.9Mg01.O3/Al2O3/FeCrAl新型金属基催化剂.并利用XRD、SEM等方法对试样的物相、表面形貌进行了分析.结果表明,金属基、载体涂层和催化活性组分三者结合的比较牢固,这种新型催化剂可用于一些吸热/放热催化反应的耦合.

耐事故燃料包壳用FeCrAl不锈钢的研究进展

3.11日本福岛核事故后,国内外围绕提高核燃料元件的事故包容能力和固有安全性课题开展了大量的耐事故燃料(ATF)的研发工作,其中性能更先进的包壳材料是ATF研究的前沿和难点。Fe Cr Al合金优良的高温性能结合管材制备工艺的技术成熟度和经济性,促使该合金包壳成为近期ATF包壳研发的首选目标。简介了国外在ATF包壳候选材料的筛选和Fe Cr Al不锈钢上的研究进展,综述了ATF包壳用Fe Cr Al不锈钢高温蒸汽氧化性能、力学性能、中子辐照性能和应力腐蚀性能等方面的研究现状,指出了Fe Cr Al包壳研制和工程应用等方面需突破的关键技术和研究方向,其中成分优化控制及制备工艺、中子辐照性能和应力腐蚀性能等工程应用的评价是未来研究的重点和难点。

高速电弧喷涂FeCrAl涂层组织结构及抗高温氧化性能研究

用高速电弧喷涂技术(HVAS)制备FeCrA l涂层,测试涂层在800℃的氧化性能,研究涂层在喷涂态和氧化后的组织结构。结果表明,由于冷却速率极快,FeCrA l涂层中形成比较多的Fe-Cr非晶态相,还有少量的Cr1.3Fe0.7O3和体心立方晶格的Fe-Cr固溶体,喷涂过程中A l的氧化比较严重。FeCrA l涂层的抗高温氧化性明显高于12Cr1MoV钢,接近于T91钢,涂层具有优异的抗氧化性一方面是由于层片间形成保护性的Cr氧化膜,阻止进一步氧化,也与含有较多抗氧化性好的非晶态相有关。高温氧化后,涂层中部分非晶态相晶化,转变为Fe-Cr晶体相。

烧结FeCrAl纤维多孔材料的高温吸声性能

由于航空发动机扇涡轮腔体内为高温环境,需寻找一种吸声材料,此材料既有良好的吸声性能,还有耐高温抗氧化的特殊性能。实验选取FeCrAl纤维为原材料制备烧结纤维多孔材料,在100～500℃的测试温度范围内对各样品及梯度结构的吸声性能进行测试,研究温度和厚度对其吸声性能的影响。结果表明,随着温度的升高,吸声系数不再随频率的升高而增大。通过增加材料的厚度也可使吸声性能有较大提高。虽然温度对材料吸声性能影响很大,但梯度结构比单层材料的高温吸声性能好。

烧结FeCrAl纤维多孔材料的吸声特性

采用Φ20μmFeCrAl纤维制备纤维多孔材料,孔隙度大于85%。在常声压与高声压条件下分别对烧结FeCrAl纤维多孔材料进行吸声性能检测。结果表明,在常声压下,材料的吸声特性随孔隙度的增加而提高,但是对于高频的吸收,孔隙度过高或过低都不利于吸收。厚度越大,材料的吸声性能越好。增加空腔可以提高材料在低频的吸声性能;在高声压条件下(100～140dB),该材料的吸声特性不随声压级的变化而变化,各参数对吸声性能的影响规律与在常声压条件下的规律一致。频率在2.5～6.4kHz之间,声压级为120dB条件下,孔隙度为94%、20mm厚的FeCrAl纤维多孔材料吸声系数达到90%。