异种金属焊接接头微观组织演化及高温失效机理综述

使用镍基焊缝连接铁素体基耐热钢和奥氏体不锈钢(或镍基合金)形成的异种金属焊接接头(DMWs,Dissimilar Metal Welds)在核电、火电、石化等行业有着广泛的应用。DMWs在高温低应力服役条件下经常会出现早期失效,导致机组非正常停机,带来巨大的经济损失和安全隐患,故DMWs的早期失效问题一直受到工程界和学术界的重点关注。围绕DMWs的早期失效问题,回顾并总结了近几十年来该领域的相关研究成果。首先,介绍了DMWs的组织特点,重点关注了铁素体基耐热钢与焊缝界面附近区域的冶金特点,包括界面马氏体层、碳迁移、Ⅰ/Ⅱ型碳化物等;其次,简要总结了DMWs焊接残余应力的特点及其影响因素;再次,汇总了DMWs的高温蠕变数据,针对DMWs蠕变断裂位置转移的特点进行了分析,其中沿铁素体基耐热钢与焊缝界面断裂是DMWs失效的显著特征,这种失效方式与界面处应变集中、热应力、基体组织退化、碳化物粗化以及氧化等有关;最后,给出了若干种延长DMWs服役寿命的方法和建议。

潜艇设备冲击响应谱谱跌特性数值分析

[目的]设计冲击谱是舰载设备响应谱抗冲击分析的关键输入条件。为了研究大质量舰载设备安装后的谱跌特性,[方法]以潜艇为例,通过对舱段结构的有限元数值模拟,研究舰载设备在不同连接方式下冲击谱随质量及刚度变化的规律,并与目前广泛采用的国军标GJB 1060.1-91给出的冲击设计谱进行对比。[结果]结果表明:对于单自由度系统,在低频段(位移段)和高频段(加速度段),国军标给出的冲击谱更保守;在中频段(速度段),研究得到的响应谱大于国军标给出的响应谱。对于多自由度系统,依据国军标给出的方法忽略模态间的相互作用将导致计算偏于保守。此外,设备与舱段的连接方式对设备响应谱存在明显影响。[结论]研究得到的各种因素对谱跌特性的影响规律,对潜艇大型设备的抗冲击设计具有借鉴意义。

偏工况下离心泵蜗舌区流场特性研究

基于Navier-Stokes方程和SST k-ω湍流模型,对离心泵内部流动进行数值模拟,分析离心泵蜗舌区瞬态流动特性。计算所得扬程和效率与试验结果吻合较好,模拟方法可行。结果表明:不同流量下,蜗舌区压力脉动的主要影响因素是动静干涉作用,压力脉动主频均为叶频及其倍频;小流量时,压力脉动幅值随流量的减小而增加,压力脉动低频段出现一些复杂激励频率,流量降至0. 4Qd时,甚至出现1/5fr(叶轮转频);设计流量时压力脉动最大幅值在蜗舌端处最大,失速状态下在蜗舌靠近叶轮出口处最大,其值约为设计流量时的4. 9倍,是由此处随时间剧烈变化的旋涡引起。

不均匀加热与节流对平行通道不稳定性的影响

为研究反应堆内轴向热流不均匀分布、径向不均匀加热和入口节流对密度波不稳定的影响,利用RELAP5/MOD4.0程序对强迫循环平行通道系统进行数值模拟.由程序中的非平衡非均相模型和半隐式数值格式所得计算结果与实验数据符合较好.对比轴向热流线性分布及余弦分布工况下的流动不稳定边界,并做出积分热流沿通道长度的变化曲线以分析其机理,还获取了径向不均匀加热与入口节流工况下系统和通道的临界相变数.结果表明:轴向热流不均匀分布时系统的稳定性取决于沸腾边界的位置以及积分热流沿通道的分布.与轴向热流均匀分布相比,轴向热流线性增大或减小分别使系统稳定性增强或减弱;入口过冷度较低时,轴向热流余弦分布提高系统稳定性;入口过冷度较高时,系统稳定性可能增强也可能减弱.与轴向热流余弦分布相比,峰值偏向入口或出口分别会降低或提高系统稳定性.径向不均匀加热对系统稳定性影响较小.增大径向入口节流不均匀性时系统稳定性有减小的趋势,增大任一通道入口节流系数均可提高系统的稳定性.

双吸离心泵空化性能试验验证与数值模拟

对一台双吸离心泵的能量特性和空化外特性进行了试验测量,基于SST k-ω湍流模型及Zwart-Gerber-Belamri空化模型对双吸离心泵内部流动进行数值模拟,计算得到的双吸离心泵扬程曲线、效率曲线及扬程随有效空化余量变化曲线与试验结果吻合较好。数值模拟结果表明:随着有效空化余量的减小,叶轮内低压区从叶轮进口处向出口处渐渐扩大,叶轮内空化沿叶片吸力面从叶片头部向叶片尾部逐渐发展,并集聚在叶片吸力面顶部附近;泵扬程下降的主要原因是叶轮内空泡的阻塞作用,并叶轮内空化发展到一定程度时叶轮流道内出现旋涡区,使影响叶轮内部流态,导致泵扬程突降。

HDF5格式多群截面数据库AXELIB的加工与验证

针对常用多群截面数据库所使用的文本格式或二进制格式存在的缺点,本文设计了HDF5格式分层存储核数据。基于评价核数据加工处理程序NJOY2016,本文开发了核数据处理模块AXER,对NJOY2016程序加工得到的GENDF格式数据处理来产生HDF5格式的多群截面数据库AXELIB。本文同时开发了PyNjoy2016系统,并使用AXELIB进行了各种数值计算,计算结果与OpenMC程序的进行对比,证明了核数据处理方案的可靠性和加工得到的AXELIB的准确性。研究表明:评价数据库的版本会对数值计算结果产生较大影响,本文方法既保留了二进制格式占用内存空间小读写速度快的优点,又能方便用户进行数据查看。

基于γ测量的球床式高温气冷堆内乏燃料球探测方案的模拟分析

在球床式高温气冷堆中,对排出堆芯的乏燃料球的探测和数量统计是燃料监测的重要内容。按国际原子能机构针对球床式高温气冷堆核安保的要求,对于燃料装卸系统管道内的燃料监测应开发一种独立于现有涡流检测原理的新监测方案。本文提出了一种基于γ测量原理的新探测方案,设计了探测器构型,对其在堆稳态运行时的探测功能进行验证。结合球床式高温气冷堆HTR-10的燃料球放射性核素数据,及对不同球速不同燃耗的燃料球经过探测区域过程的蒙特卡罗模拟分析,验证了此方案对单个燃料球鉴别和计数的可靠性,同时证明了该方案对于燃料球球流探测的可行性,为今后该探测方案的完善和实际装置的制作提供了设计基础。

FB2马氏体耐热钢中Laves相在焊接过程中演化行为的研究

采用热模拟的方法研究了FB2钢(一种新型9%Cr马氏体耐热钢)中Laves相在焊接热循环中的演化行为.首先借助SEM观察到存在于原始供货状态下的FB2钢中尺寸在微米级别的Laves相颗粒;进一步的分析表明,这些Laves相的出现是由铸造过程中的枝晶偏析导致的.焊接热模拟实验结果表明,在加热过程中,Laves相与基体γ-Fe发生共晶反应导致的组分液化会给FB2钢热影响区带来热裂倾向;在冷却后的样品中发现了一些网状的共晶组织,利用SEM/EDS和TEM分别得到了该共晶组织的成分信息和结构信息,确定该共晶组织的2个组分为X相和γ-Fe.在此基础之上,较为详细地分析了不同峰值温度热模拟后样品中共晶组织的形成过程,解释了共晶组织不同形貌的产生原因.

核级管端法兰面在线堆焊修复的残余应力

采用数值模拟的方法研究了某一核级管端法兰面在线堆焊修复过程中的焊接顺序及堆焊厚度对残余应力和变形的影响。模拟结果表明,由于法兰内外侧厚度不同以及内外壁连接管的刚性差异,采用从内至外的焊接顺序可以得到整体较小的焊接残余应力和变形。当堆焊厚度为20 mm时,外壁管道焊缝处的轴向残余应力接近材料的屈服强度;当堆焊厚度不超过15 mm时,外壁管道焊缝处的残余应力远低于屈服强度。采用优化的焊接工艺制作了等比例模拟件,并采用X射线衍射法测试模拟件的残余应力,计算结果与测试结果吻合良好,进一步验证了数值模型及模拟分析结果的可靠性。

Co-Nb缺陷对Sr_2Co_xNb_(2-x)O_(6-δ)导电性能影响的第一性原理研究

选择Sr_2Co_(x )Nb_(2-x )O_(6-δ)(SCNO)作为电极材料进行了研究。SCNO中Co和Nb具有相近的半径,且共价态差异很小,因此存在本征阳离子无序缺陷。利用第一性原理以及密度泛函理论对SCNO以及存在Co_(Nb)-Nb _(Co)反占位缺陷的SCNO进行了计算。计算结果表明,GGA-PBE函数在修正情况下能够很好的符合实际实验数据。利用该函数计算对比实验数据,可发现O空位对其导电率起到了至关重要的作用。Co与Nb在其正常位置时,Co为+2,+3,+4价(大部分为+3价,+4价极少),Nb为+4,+5价,位于反占位缺陷位置时,Co为+2价,而Nb为+4价。计算结果显示氧空位形成能量大小排序为:Co^(3+)-O-Nb^(5+)>Co^(2+)-O-Co^(3+)>Nb^(4+)-O-Nb^(5+)。并且Co^(2+)-O-Co^(3+)与Nb^(4+)-O-Nb^(5+)之间电子位移越多,电子斥力会越弱,而空位稳定性越强。因此可得阳离子无序程度越高,电导率也越高。

脉冲磁场对TC4钛合金微观结构的影响及其机理探究

研究了脉冲磁场对TC4钛合金微观结构的影响规律,发现经磁感应强度为2 T、脉冲频率为5 Hz、脉冲次数为100次的脉冲磁场处理后,TC4钛合金的位错密度及晶界角度会发生显著变化。XRD测试结果显示,经脉冲磁场处理后TC4钛合金的位错密度提高约10.9%。采用EBSD测试得到TC4钛合金微区的KAM分布,发现经脉冲磁场作用后,TC4钛合金的位错密度发生显著变化,具体表现为:晶内位错分布更加均匀,局部高位错密度区消失;晶界附近的位错分布发生变化,同时晶界角度发生改变,小角度晶界减少而重位点阵(CSL)晶界(Σ11)增多。讨论了脉冲磁场对TC4钛合金微观组织影响的可能原因:脉冲磁场引起位错钉扎处的电子能态发生转变,使钉扎处空位或杂质原子易于移动。位错在材料内应力场提供的弹性能作用下更易脱钉扎,从而使得位错分布发生变化,材料微观组织发生改变。

Fe-1．5(3．0)％Si-0．4％C合金贝氏体不完全转变现象及伴随的渗碳体析出

从热力学、动力学角度对Fe-1.5(3.0)%Si-0.4%C(质量分数)合金在400~500℃等温贝氏体相变过程中的贝氏体不完全转变阶段可以出现渗碳体析出的现象进行了深入分析。结果表明,贝氏体不完全转变阶段渗碳体的析出动力学非常缓慢。热力学分析表明,缓慢的渗碳体析出动力学与其很小的化学驱动力和/或渗碳体析出需要Si原子配分有关。证实了贝氏体不完全转变现象可以伴随有碳化物析出,但碳化物析出动力学在贝氏体不完全转变阶段需要非常缓慢。

Ti添加量对B_4C-Ti复合陶瓷力学性能的影响

采用热压烧结在1680℃下制备得到了(100-x)B_4C-x Ti(x=0~40)(质量分数,%)陶瓷,并研究了Ti(x=0~40)添加量对B_4C陶瓷微观形貌及力学性能的影响。结果表明:Ti元素可以促进B_4C陶瓷的烧结,其相对密度随Ti含量增加先增大后趋于稳定,当Ti添加量达到40%时,样品相对密度约为99.5%。XRD结果表明,样品中除B_4C和未反应的Ti之外,还有Ti C和Ti B_2相出现,且随Ti含量增加,两者的衍射峰逐渐增强;随Ti添加量增加,样品的抗弯强度、硬度以及断裂韧性均增大,在Ti添加量为40%时,分别达到481 MPa、8280 MPa、18.55 MPa·mm^(1/2)。分析其原因认为,由于Ti与B_4C发生界面反应,在界面处生成Ti C和Ti B_2相过渡层,联结了B_4C基体与Ti,起到了桥联增韧的作用,使材料的力学性能得到改善。

LSGM-(Li/Na)_2CO_3复合电解质的制备及导电性能

用La_(0.9)Sr_(0.1)Ga_(0.8)Mg_(0.2)O_(3-)δ(LSGM)与Li_2CO_3/Na_2CO_3(48/52 at%)混合盐复合制备了新型的复合电解质材料,并对其制备工艺以及导电特性进行了研究。采用以聚甲基丙稀酸甲酯(PMMA)为造孔剂制备多孔LSGM陶瓷基体,再以与熔融碳酸盐浸润的方式制备致密的LSGM-(Li/Na)_2CO_3复合电解质。分别采用排水法与压汞法对多孔LSGM基体的孔隙率进行测量。利用XRD对LSGM-(Li/Na)_2CO_3复合电解质的物相进行分析。利用SEM对LSGM基体及复合电解质的形貌进行分析。采用交流阻抗法对复合电解质的电导率进行测试,结果显示,LSGM-(Li/Na)_2CO_3复合电解质的电导率随PMMA加入量的增加而增大,当PMMA加入量为40%(质量分数,下同)时,电导率在600℃达到0.09 S/cm。电导率的阿累尼乌斯曲线在480℃附近有一个明显的转折点,主要由于碳酸盐融化后电解质的导电机制发生变化而引起。