超細晶低活化9Cr2WVTa鋼相關性能的研究.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)動次臨界系統(tǒng)(Accelerator Driven Sub-critical System,ADS)因其強大的嬗變長壽命放射性核廢料的能力而被廣泛關注。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性能,被認為是ADS散裂靶的主要候選結構材料之一。但散裂靶嚴苛的服役環(huán)境對結構材料的力學性能以及與液態(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鋼為研究對象,提出通過室溫旋鍛變形和后續(xù)退火工藝來調(diào)控組織結構,制備出碳化物細小彌散分布的超細晶組織,進而來改善其相關性能。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)研究了超細晶9Cr2WVTa鋼的力學性能、高溫抗氧化性能以及Pb-Bi相容性,為進一步提升RAFM鋼性能提供理論基礎。在此基礎上,進行了更高溫度下使用鐵素體合金的探索,設計并

3、制備了新型Fe2Zr相強化Fe-Cr-W-Zr合金,研究了其在室溫和高溫下的力學性能和斷裂機理。主要內(nèi)容和結論如下:
　　(1)研究了室溫旋鍛變形和后續(xù)退火過程中9Cr2WVTa鋼的組織演變規(guī)律,制備出碳化物細小彌散分布的超細晶組織,并分析其對力學性能的影響機理。結果表明,累積應變?yōu)?.81的室溫旋鍛變形可有效細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,顯著降低旋鍛過程中產(chǎn)生的高密度位錯,進而得到晶粒尺寸

4、為～350nm,碳化物尺寸為～50nm且彌散分布的超細晶組織。細晶強化和碳化物的析出強化有效提升了材料的強度;同時細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度和塑性,以及更好的持久性能。
　　(2)對比研究了回火樣品和旋鍛退火樣品在550℃時效過程中的組織演變和力學性能。結果表明,旋鍛退火樣品中較低的形變儲能以及析出相的釘扎作用

5、保證了晶粒穩(wěn)定性。在時效過程中,兩種樣品中M23C6的數(shù)量和尺寸均有所增加,同時還伴有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Laves相提供形核位置,同時促進W的沿晶快速擴散,導致旋鍛退火樣品中Laves相的數(shù)密度和面積分數(shù)均高于回火樣品。兩種樣品在550℃時效5000h過程中均保持了良好的組織穩(wěn)定性,從而保證了力學性能的穩(wěn)定性。
　　(3)研究了晶粒尺寸和Mn含量對9Cr2WVTa鋼在650℃空氣中高溫抗

6、氧化性能的影響。結果表明,晶粒細化顯著促進了Mn的快速外擴散,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具有較高的擴散速率,同時富Mn氧化物具有較高的熱力學穩(wěn)定性,當回火樣品中Mn含量提高到0.93wt.％時,可顯著促進氧化膜中富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,晶粒細化會促進氧化膜中Mn和Cr的富集,形成相對致密的初期氧化膜,降低氧化速率。但隨腐蝕時間增加,旋鍛退火樣品中較少的晶界M23C6導致晶界上形成的Cr2O3數(shù)量較少,對O的內(nèi)擴散阻礙作用有限,同時晶粒細化增加了O的快速內(nèi)擴散通道數(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,會促進合金表面

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)長時間腐蝕后,氧化膜中Pb的滲入以及Mn在Pb中的高溶解度會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保護層,有效隔離基體與LBE,顯著提升超細晶9Cr2WVTa鋼的Pb-Bi相容性。
　　(5)設計并制備了Fe2Zr相彌散分布的Fe-Cr-W-Zr鐵素體合金,研究了其在室

9、溫和高溫下的力學性能與斷裂機理。在室溫拉伸時,增加Fe2Zr相的數(shù)量可以顯著提升合金的強度,但Fe2Zr相與α-Fe基體之間較差的應變兼容性導致了Fe2Zr相的破裂,降低合金的塑性。而在700℃拉伸時,由于熱激活作用,合金強度降低,同時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展,因此顯示了優(yōu)異的高溫塑性。相比9Cr2WVTa鋼,Fe