SCRAM鋼的熱處理工藝優(yōu)化研究.pdf

1、低活化鐵素體/馬氏體（Reduced Activation Ferritic/Martensitic，RAFM）鋼因其具有高的熱導(dǎo)率、低的熱膨脹系數(shù)、優(yōu)良的抗輻照性能，并且與氚增殖劑、冷卻劑等具有良好的兼容性，成為未來核聚變反應(yīng)堆用首選結(jié)構(gòu)材料之一。但現(xiàn)有的低活化鋼經(jīng)過輻照以后會(huì)產(chǎn)生輻照腫脹，輻照脆化、硬化等問題，需要尋求一定的方法改善和提升其抗輻照性能以及蠕變性能。
　　本文以本課題組自主研發(fā)的新體系超潔凈低活化馬氏體鋼（Sup

2、er-clean Reduced Activation Martensitic Steels，簡(jiǎn)稱SCRAM鋼）為研究對(duì)象，為進(jìn)一步改善其綜合力學(xué)性能，細(xì)化微觀組織并最終提升其抗輻照性能以及高溫蠕變性能，對(duì) SCRAM鋼進(jìn)行了不同的熱處理，研究了熱處理工藝對(duì) SCRAM鋼的力學(xué)性能，微觀組織的影響，并獲得了以下有價(jià)值的研究成果：
　　通過 Thermo-Calc熱力學(xué)計(jì)算軟件，從理論上對(duì)比了新的9Cr-WVTiN體系與Cr-W-V

3、-Ta體系的低活化馬氏體鋼的熱穩(wěn)定性。計(jì)算結(jié)果表明，Ti，N元素的引入，導(dǎo)致鋼中TiN，VN的析出，并且其初始析出溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于TaC和VC，即其熱穩(wěn)定性要分別高于TaC，VC；適當(dāng)?shù)奶岣逿i和 N的含量，將有助于增加TiN以及 VN的熱穩(wěn)定性。同時(shí)，熱力學(xué)計(jì)算的結(jié)果亦表明，本課題組自主研制的SCRAM鋼中，M23C6相的初始析出溫度在870℃以下，而MX相的初始析出溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于870℃。
　　根據(jù)熱力學(xué)計(jì)算的結(jié)果，設(shè)計(jì)的兩次淬火一

4、次回火熱處理工藝可以有效的細(xì)化馬氏體板條，其平均尺寸由0.51μm降低到0.42μm，得到了顯著的細(xì)化。而析出物的平均尺寸有略微的粗化，由傳統(tǒng)工藝下的83nm粗化到86nm。SCRAM鋼的DBTT值由傳統(tǒng)工藝下的-40℃降低到-61℃，通過細(xì)化馬氏體板條組織，SCRAM鋼的性能得到了顯著的改善。但是由于該工藝是連續(xù)的兩次淬火，可能造成材料內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋，不適用于工業(yè)化上大工件的熱處理。
　　在1050℃奧氏體化1小時(shí)，隨后在870

5、℃保溫1小時(shí)再進(jìn)行淬火處理，該工藝有效的細(xì)化了析出物。熱力學(xué)計(jì)算的結(jié)果表明，SCRAM鋼中M23C6相的初始析出溫度在870℃以下，在870℃保溫1小時(shí)的過程中，M23C6相還未開始在基體中析出，MX相得到充分的析出，基體中C含量降低，導(dǎo)致在隨后的處理過程中M23C6相的尺寸的減小。經(jīng)該工藝處理后，SCRAM-3鋼以及SCRAM-6鋼的析出物的平均尺寸分別由傳統(tǒng)工藝下的80nm，83nm降低到64nm和71nm。但由于高溫區(qū)保溫時(shí)間過長

6、，馬氏體板條的尺寸分別由傳統(tǒng)工藝下的0.44μm，0.51μm粗化到0.86μm和0.72μm。DBTT值則分別由傳統(tǒng)工藝處理后的-23℃，-41℃降低到-40℃和-43℃。該結(jié)果表明，細(xì)化析出物可以提高材料的力學(xué)性能，并且能夠彌補(bǔ)馬氏體板條粗化造成的材料性能的降低。
　　通過將上述兩種工藝有機(jī)的結(jié)合，設(shè)計(jì)出了一種具有中間隨爐冷卻過程的兩次淬火兩次回火的熱處理工藝，并以傳統(tǒng)工藝以及兩次淬火兩次回火工藝作為對(duì)比工藝。傳統(tǒng)工藝處理后，

7、SCRAM-3鋼的馬氏體板條的平均尺寸為0.75μm，析出物的平均尺寸為94nm，而兩次淬火兩次回火后其尺寸分別為0.61μm，70nm，經(jīng)具有中間隨爐冷卻過程的兩次淬火兩次回火工藝處理后其尺寸分別為0.66μm，60nm。DBTT測(cè)試的結(jié)果表明，傳統(tǒng)工藝處理后，SCRAM-3鋼的DBTT為-24℃，而經(jīng)過兩次淬火兩次回火熱處理工藝處理后其DBTT為-40℃，經(jīng)最優(yōu)化的熱處理工藝處理后，其DBTT為-43℃?？梢姡?xì)化析出物以及板條組織

8、可以更為有效的降低DBTT值，并且析出物的細(xì)化可以彌補(bǔ)板條粗化造成的材料性能的下降。
　　對(duì)經(jīng)過不同熱處理工藝處理的SCRAM-3鋼進(jìn)行He離子輻照，并采用薄片沖擊試樣評(píng)價(jià)其輻照硬化的程度。傳統(tǒng)工藝處理后SCRAM-3鋼在輻照后其沖擊硬化率為-18.86％，而經(jīng)過兩次淬火兩次回火處理后其硬化率為-12.74%，經(jīng)最優(yōu)熱處理工藝處理后其硬化率為-7.92%，可見，通過適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に嚰?xì)化SCRAM鋼的微觀組織，增加其晶界/相界面可以