粉末形變熱固結高硼不銹鋼復合板制備技術基礎研究.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、成本相對較低等優(yōu)點，是核工業(yè)乏燃料貯存格架、貯存容器和運輸容器等必備的關鍵材料，業(yè)界渴求硼含量更高、力學性能更好的不銹鋼實現(xiàn)密集存儲。此前，高硼不銹鋼研究工作主要集中在硼化物對力學性能、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特性的巨大差異，并與γ-Fe形成低熔點共晶，引起熱加工困難、成品率低、力學性能下降，一直是高硼不銹鋼開發(fā)

2、應用的主要阻礙和瓶頸。本文分析認為對粉末冶金高硼不銹鋼燒結行為及其熱變形行為，致密化機理和熱加工過程中組織結構演化規(guī)律開展系統(tǒng)深入的研究工作，是高硼含量不銹鋼發(fā)展進步的核心問題。
　　針對上述問題，本文研究了利用粉末形變熱固結法制備高硼不銹鋼復合板的技術路線，并提出一種在熱模擬試驗機上實現(xiàn)粉末形變熱固結的模擬試驗方法。對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、粉末形變熱固結模擬開展了系統(tǒng)的試驗工作和理論分析，主要研究

3、內容與研究結果如下：
　　利用熱壓燒結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構特征及其燒結致密化過程中的組織演變規(guī)律。發(fā)現(xiàn)燒結過程中無相變發(fā)生，組織主要由正交晶系的M2B型硼化物和基體γ相構成。硼化物在燒結過程中發(fā)生Ostwald熟化，其尺寸和形貌隨燒結溫度變化顯著。燒結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)，二者分別通過動態(tài)再結晶和枝晶長大形成。試驗結果表明在1150℃-30min-30M

4、Pa氬氣保護環(huán)境下燒結可獲得強度為862MPa，硬度為305HV的致密高硼不銹鋼，而且延長燒結時間可以改善塑性。
　　利用熱壓燒結制備的致密高硼不銹鋼塊體材料進行熱壓縮試驗，研究950～1150℃和0.01～10s-1范圍內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。真應力-真應變曲線表明，在1100℃上下硼化物對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℃，硼化物有顆粒強化作用；而當溫度高

5、于1100℃，硼化物對材料強度反而表現(xiàn)出惡化作用，應力水平遠低于不含 B的普通304不銹鋼。高硼不銹鋼表觀熱變形激活能Q和表觀應力指數(shù)n分別為355kJ/mol和3.2，遠低于不含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)生轉動，其生長方向傾向于與軋制方向平行，進而形成擇優(yōu)取向。
　　率先提出并運用了一種在熱模擬試驗

6、機上實現(xiàn)粉末形變熱固結的模擬試驗方法，解決以往小比例樣品試驗熱變形控制精度差，難以模擬工程實際條件的問題。研究發(fā)現(xiàn)高硼不銹鋼在1150℃溫度、0.01～10s-1應變速率、50％壓下量下，可獲得接近完全致密塊材。該試驗結果證實熱變形應變速率對形變熱固結致密度沒有顯著影響，并發(fā)現(xiàn)應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大。
　　成功地通過粉末形變熱固結法獲得高硼不銹鋼復合板，其高硼不銹

7、鋼芯層與316L覆層復合率高，對裂紋擴展有很好的抑制作用，而且復合板的延伸率也可提高至20%左右。硼化物的Ostwald熟化過程應該主要由溶質原子沿著晶界的擴散過程控制，服從t1/4規(guī)律。
　　本文提出的粉末形變熱固結法制備高硼不銹鋼復合板新型技術路線，拓展了我國高硼不銹鋼的加工技術體系。其相關基礎研究結果深化了高硼不銹鋼形變熱固結及熱變形過程所涉及的組織結構演變規(guī)律、致密化機制、熱變形行為等理論問題的認識，對我國高硼不銹鋼的設計