粉末形變熱固結(jié)高硼不銹鋼復(fù)合板制備技術(shù)基礎(chǔ)研究.pdf

1、高硼不銹鋼具有優(yōu)異的屏蔽中子、α、β、γ等射線的特殊功能，兼具耐蝕性好、使用溫度高、成本相對(duì)較低等優(yōu)點(diǎn)，是核工業(yè)乏燃料貯存格架、貯存容器和運(yùn)輸容器等必備的關(guān)鍵材料，業(yè)界渴求硼含量更高、力學(xué)性能更好的不銹鋼實(shí)現(xiàn)密集存儲(chǔ)。此前，高硼不銹鋼研究工作主要集中在硼化物對(duì)力學(xué)性能、耐蝕性、屏蔽性能、焊接性能的影響方面。而由于鋼中硼化物與基體晶體學(xué)特性的巨大差異，并與γ-Fe形成低熔點(diǎn)共晶，引起熱加工困難、成品率低、力學(xué)性能下降，一直是高硼不銹鋼開(kāi)發(fā)

2、應(yīng)用的主要阻礙和瓶頸。本文分析認(rèn)為對(duì)粉末冶金高硼不銹鋼燒結(jié)行為及其熱變形行為，致密化機(jī)理和熱加工過(guò)程中組織結(jié)構(gòu)演化規(guī)律開(kāi)展系統(tǒng)深入的研究工作，是高硼含量不銹鋼發(fā)展進(jìn)步的核心問(wèn)題。
　　針對(duì)上述問(wèn)題，本文研究了利用粉末形變熱固結(jié)法制備高硼不銹鋼復(fù)合板的技術(shù)路線，并提出一種在熱模擬試驗(yàn)機(jī)上實(shí)現(xiàn)粉末形變熱固結(jié)的模擬試驗(yàn)方法。對(duì)其中涉及的粉末冶金高硼不銹鋼的致密化行為、熱變形行為、粉末形變熱固結(jié)模擬開(kāi)展了系統(tǒng)的試驗(yàn)工作和理論分析，主要研究

3、內(nèi)容與研究結(jié)果如下：
　　利用熱壓燒結(jié)制備致密高硼不銹鋼，系統(tǒng)分析了高硼不銹鋼氣霧粉的組織結(jié)構(gòu)特征及其燒結(jié)致密化過(guò)程中的組織演變規(guī)律。發(fā)現(xiàn)燒結(jié)過(guò)程中無(wú)相變發(fā)生，組織主要由正交晶系的M2B型硼化物和基體γ相構(gòu)成。硼化物在燒結(jié)過(guò)程中發(fā)生Ostwald熟化，其尺寸和形貌隨燒結(jié)溫度變化顯著。燒結(jié)體中存在奧氏體尺寸形貌明顯不同的兩種區(qū)域：等軸晶區(qū)和非等軸晶區(qū)，二者分別通過(guò)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和枝晶長(zhǎng)大形成。試驗(yàn)結(jié)果表明在1150℃-30min-30M

4、Pa氬氣保護(hù)環(huán)境下燒結(jié)可獲得強(qiáng)度為862MPa，硬度為305HV的致密高硼不銹鋼，而且延長(zhǎng)燒結(jié)時(shí)間可以改善塑性。
　　利用熱壓燒結(jié)制備的致密高硼不銹鋼塊體材料進(jìn)行熱壓縮試驗(yàn)，研究950～1150℃和0.01～10s-1范圍內(nèi)高硼不銹鋼熱變形行為和硼化物在其中的作用，以及組織演變規(guī)律。真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線表明，在1100℃上下硼化物對(duì)高硼不銹鋼變形抗力的作用呈現(xiàn)出截然相反的現(xiàn)象。變形溫度低于1100℃，硼化物有顆粒強(qiáng)化作用；而當(dāng)溫度高

5、于1100℃，硼化物對(duì)材料強(qiáng)度反而表現(xiàn)出惡化作用，應(yīng)力水平遠(yuǎn)低于不含 B的普通304不銹鋼。高硼不銹鋼表觀熱變形激活能Q和表觀應(yīng)力指數(shù)n分別為355kJ/mol和3.2，遠(yuǎn)低于不含B的普通304不銹鋼。熱加工圖表明最優(yōu)的加工溫度為950～1150℃，加工速率為0.01～0.6s-1。在失穩(wěn)區(qū)，除了空洞還有裂紋生成。此外，熱變形后硼化物發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，其生長(zhǎng)方向傾向于與軋制方向平行，進(jìn)而形成擇優(yōu)取向。
　　率先提出并運(yùn)用了一種在熱模擬試驗(yàn)

6、機(jī)上實(shí)現(xiàn)粉末形變熱固結(jié)的模擬試驗(yàn)方法，解決以往小比例樣品試驗(yàn)熱變形控制精度差，難以模擬工程實(shí)際條件的問(wèn)題。研究發(fā)現(xiàn)高硼不銹鋼在1150℃溫度、0.01～10s-1應(yīng)變速率、50％壓下量下，可獲得接近完全致密塊材。該試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)熱變形應(yīng)變速率對(duì)形變熱固結(jié)致密度沒(méi)有顯著影響，并發(fā)現(xiàn)應(yīng)變速率引起的加工硬化差異顯著影響粉體顆粒變形程度。此外，還發(fā)現(xiàn)塑性變形引起硼化物異常長(zhǎng)大。
　　成功地通過(guò)粉末形變熱固結(jié)法獲得高硼不銹鋼復(fù)合板，其高硼不銹

7、鋼芯層與316L覆層復(fù)合率高，對(duì)裂紋擴(kuò)展有很好的抑制作用，而且復(fù)合板的延伸率也可提高至20%左右。硼化物的Ostwald熟化過(guò)程應(yīng)該主要由溶質(zhì)原子沿著晶界的擴(kuò)散過(guò)程控制，服從t1/4規(guī)律。
　　本文提出的粉末形變熱固結(jié)法制備高硼不銹鋼復(fù)合板新型技術(shù)路線，拓展了我國(guó)高硼不銹鋼的加工技術(shù)體系。其相關(guān)基礎(chǔ)研究結(jié)果深化了高硼不銹鋼形變熱固結(jié)及熱變形過(guò)程所涉及的組織結(jié)構(gòu)演變規(guī)律、致密化機(jī)制、熱變形行為等理論問(wèn)題的認(rèn)識(shí)，對(duì)我國(guó)高硼不銹鋼的設(shè)計(jì)