超細(xì)晶低活化9Cr2WVTa鋼相關(guān)性能的研究.pdf

1、如何處理核廢料是核電可持續(xù)發(fā)展面臨的重要難題。加速器驅(qū)動(dòng)次臨界系統(tǒng)(Accelerator Driven Sub-critical System,ADS)因其強(qiáng)大的嬗變長(zhǎng)壽命放射性核廢料的能力而被廣泛關(guān)注。低活化鐵素體/馬氏體鋼(RAFM)由于其良好的抗輻照性能、優(yōu)異的熱物理特性和力學(xué)性能,被認(rèn)為是ADS散裂靶的主要候選結(jié)構(gòu)材料之一。但散裂靶嚴(yán)苛的服役環(huán)境對(duì)結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能以及與液態(tài)Pb-Bi共晶(LBE)的相容性等提出了更高的要求。

2、為此,本論文以9Cr2WVTa RAFM鋼為研究對(duì)象,提出通過(guò)室溫旋鍛變形和后續(xù)退火工藝來(lái)調(diào)控組織結(jié)構(gòu),制備出碳化物細(xì)小彌散分布的超細(xì)晶組織,進(jìn)而來(lái)改善其相關(guān)性能。采用掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)、電子背散射衍射(EBSD)、電子探針(EPMA)等方法系統(tǒng)研究了超細(xì)晶9Cr2WVTa鋼的力學(xué)性能、高溫抗氧化性能以及Pb-Bi相容性,為進(jìn)一步提升RAFM鋼性能提供理論基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)行了更高溫度下使用鐵素體合金的探索,設(shè)計(jì)并

3、制備了新型Fe2Zr相強(qiáng)化Fe-Cr-W-Zr合金,研究了其在室溫和高溫下的力學(xué)性能和斷裂機(jī)理。主要內(nèi)容和結(jié)論如下:
　　(1)研究了室溫旋鍛變形和后續(xù)退火過(guò)程中9Cr2WVTa鋼的組織演變規(guī)律,制備出碳化物細(xì)小彌散分布的超細(xì)晶組織,并分析其對(duì)力學(xué)性能的影響機(jī)理。結(jié)果表明,累積應(yīng)變?yōu)?.81的室溫旋鍛變形可有效細(xì)化原有回火樣品的晶粒尺寸和碳化物尺寸,再經(jīng)700℃退火30min后,顯著降低旋鍛過(guò)程中產(chǎn)生的高密度位錯(cuò),進(jìn)而得到晶粒尺寸

4、為～350nm,碳化物尺寸為～50nm且彌散分布的超細(xì)晶組織。細(xì)晶強(qiáng)化和碳化物的析出強(qiáng)化有效提升了材料的強(qiáng)度;同時(shí)細(xì)小彌散分布的碳化物可改善加工硬化能力,并抑制裂紋的萌生與擴(kuò)展,從而提升了材料的塑性。相比于常規(guī)的回火樣品,旋鍛退火樣品在室溫和高溫下具有更高的強(qiáng)度和塑性,以及更好的持久性能。
　　(2)對(duì)比研究了回火樣品和旋鍛退火樣品在550℃時(shí)效過(guò)程中的組織演變和力學(xué)性能。結(jié)果表明,旋鍛退火樣品中較低的形變儲(chǔ)能以及析出相的釘扎作用

5、保證了晶粒穩(wěn)定性。在時(shí)效過(guò)程中,兩種樣品中M23C6的數(shù)量和尺寸均有所增加,同時(shí)還伴有Laves相的析出。相比之下,旋鍛退火樣品中更多的大角晶界可為L(zhǎng)aves相提供形核位置,同時(shí)促進(jìn)W的沿晶快速擴(kuò)散,導(dǎo)致旋鍛退火樣品中Laves相的數(shù)密度和面積分?jǐn)?shù)均高于回火樣品。兩種樣品在550℃時(shí)效5000h過(guò)程中均保持了良好的組織穩(wěn)定性,從而保證了力學(xué)性能的穩(wěn)定性。
　　(3)研究了晶粒尺寸和Mn含量對(duì)9Cr2WVTa鋼在650℃空氣中高溫抗

6、氧化性能的影響。結(jié)果表明,晶粒細(xì)化顯著促進(jìn)了Mn的快速外擴(kuò)散,形成了Mn1.5Cr1.5O4和Mn2O3氧化物,提高了氧化膜的致密性,改善了高溫抗氧化性能。由于Mn具有較高的擴(kuò)散速率,同時(shí)富Mn氧化物具有較高的熱力學(xué)穩(wěn)定性,當(dāng)回火樣品中Mn含量提高到0.93wt.％時(shí),可顯著促進(jìn)氧化膜中富Mn氧化物的形成,提升氧化膜的致密性并降低氧分壓,形成由Mn1.5Cr1.5O4和Cr1.3Fe0.7O3構(gòu)成的致密氧化膜,提高高溫抗氧化性能。

7、>　　(4)研究了晶粒尺寸和Mn含量對(duì)9Cr2WVTa鋼在550℃飽和氧壓下Pb-Bi相容性的影響。在腐蝕初期,晶粒細(xì)化會(huì)促進(jìn)氧化膜中Mn和Cr的富集,形成相對(duì)致密的初期氧化膜,降低氧化速率。但隨腐蝕時(shí)間增加,旋鍛退火樣品中較少的晶界M23C6導(dǎo)致晶界上形成的Cr2O3數(shù)量較少,對(duì)O的內(nèi)擴(kuò)散阻礙作用有限,同時(shí)晶粒細(xì)化增加了O的快速內(nèi)擴(kuò)散通道數(shù)量,從而加速了內(nèi)氧化的發(fā)生,使得后期形成了更厚的氧化膜。提高回火樣品中的Mn含量,會(huì)促進(jìn)合金表面

8、Mn的富集,提升初期氧化膜的致密性,降低氧化速率。但經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間腐蝕后,氧化膜中Pb的滲入以及Mn在Pb中的高溶解度會(huì)降低氧化膜的致密性,這可能是Mn含量較高樣品腐蝕后期氧化膜厚度快速增加的主要原因。此外,相比于回火樣品,滲鋁處理可以在旋鍛樣品表面形成更厚的FeAl保護(hù)層,有效隔離基體與LBE,顯著提升超細(xì)晶9Cr2WVTa鋼的Pb-Bi相容性。
　　(5)設(shè)計(jì)并制備了Fe2Zr相彌散分布的Fe-Cr-W-Zr鐵素體合金,研究了其在室

9、溫和高溫下的力學(xué)性能與斷裂機(jī)理。在室溫拉伸時(shí),增加Fe2Zr相的數(shù)量可以顯著提升合金的強(qiáng)度,但Fe2Zr相與α-Fe基體之間較差的應(yīng)變兼容性導(dǎo)致了Fe2Zr相的破裂,降低合金的塑性。而在700℃拉伸時(shí),由于熱激活作用,合金強(qiáng)度降低,同時(shí)α-Fe基體的充分變形以及Fe2Zr/基體界面分離釋放了界面處的應(yīng)力集中,降低了Fe2Zr相破裂的可能性,此外韌性的α-Fe基體抑制了裂紋的快速擴(kuò)展,因此顯示了優(yōu)異的高溫塑性。相比9Cr2WVTa鋼,Fe