核反應(yīng)堆用鐵素體-馬氏體耐熱鋼成分設(shè)計(jì)及性能研究.pdf

1、全球能源需求的日益增加和環(huán)保意識的不斷提高促進(jìn)了核能等清潔能源的開發(fā)和利用。核反應(yīng)堆長期暴露于高溫高壓和強(qiáng)輻照的惡劣環(huán)境,因此對結(jié)構(gòu)材料有較高的要求,如良好的高溫性能、低的輻照腫脹性和低活性等。低活化鐵素體/馬氏體鋼因其良好的性能、成熟的制備工藝以及較為完善的性能數(shù)據(jù)庫成為首選核反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料之一。然而目前低活化鐵素體/馬氏體鋼的最高使用溫度偏低,為600-625℃,不能滿足第四代裂變堆和聚變堆的使用要求,為此急需開發(fā)新型核反應(yīng)堆用鐵素

2、體/馬氏體耐熱鋼。同時(shí),低活化鐵素體/馬氏體鋼中避開或減少了高活化元素的含量,對合金設(shè)計(jì)帶來了一大挑戰(zhàn)。
　　本文主要目標(biāo)是設(shè)計(jì)在650℃下具有較好性能的低活化鐵素體/馬氏體鋼。此研究在9Cr2WVTa的基礎(chǔ)上,以合金元素的作用機(jī)理以及JMatPro熱力學(xué)計(jì)算為理論指導(dǎo)調(diào)整其合金成分,通過選擇合理的熱處理參數(shù)獲得目標(biāo)組織結(jié)構(gòu)。通過組織觀察和性能表征評估該鋼是否滿足使用要求,并總結(jié)合金元素的作用規(guī)律。本文首先試制了美國橡樹嶺實(shí)驗(yàn)室的

3、9Cr2WVTa鋼并對其進(jìn)行表征,并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)和表征了馬氏體型(9/10Cr)和鐵素體型(10Cr6W)低活化耐熱鋼。
　　ORNL-9Cr2WVTa鋼具有全馬氏體板條結(jié)構(gòu),表現(xiàn)出較好的拉伸性能和較差的蠕變性能。板條強(qiáng)化和析出相強(qiáng)化的協(xié)同作用下,該鋼表現(xiàn)出良好的拉伸性能。但是從組織分析中可以看出馬氏體晶粒內(nèi)部板條界連續(xù)分布M23C6析出相較少,對蠕變過程中馬氏體板條粗化的延緩作用較弱,導(dǎo)致其蠕變性能較差。原因可能為ORNL-9

4、Cr2WVTa鋼中Cr和W等M23C6析出相形成元素含量不多,導(dǎo)致M23C6析出相含量少且主要分布在原奧氏體晶界,在板條界含量較少。
　　Cr和W含量的提高都會(huì)導(dǎo)致9Cr2W鋼基體中保留至室溫的δ鐵素體含量增加,從而力學(xué)性能下降。W含量的增加對δ鐵素體含量的影響小于Cr含量的影響。W含量提高至3％的9Cr3W鋼通過固溶強(qiáng)化和析出相強(qiáng)化獲得良好的抗拉強(qiáng)度和適中的塑性。
　　9Cr3W鋼中加入0.03%的低活化元素Ti即可獲得與

5、添加1%的高活化元素Co相當(dāng)?shù)娜渥冃阅?。組織上,Ti的加入可以細(xì)化原奧氏體晶粒和析出相,使得析出相在基體上均勻彌散分布。Co會(huì)加劇M23C6型析出相的團(tuán)聚,使得析出相沿晶界析出。Ti和Co都對9Cr3W鋼有強(qiáng)化作用。9Cr3W鋼在650℃,120MPa下的蠕變斷裂壽命為264 h,加入Co和Ti之后分別可延長至502 h和516 h。Co對蠕變第一階段有較大的延緩作用,而Ti對蠕變第二階段具有較大延緩作用。低活化9Cr3W鋼中可用低活化

6、的Ti代替高活化的Co,且0.03%的Ti添加量對650℃,120MPa下的蠕變性能的提高就可以達(dá)到1%Co添加量的效果。9Cr3W鋼蠕變后析出Laves相,而9Cr3W-Ti和9Cr3W-Co鋼中Laves相析出較為緩慢。
　　10%的Cr含量與6%的W含量可以獲得鐵素體基體上分布大量Laves相的低活化鋼。10Cr6W鋼中的析出相以Fe2W型Laves相為主,而加入Nb和C后基體中會(huì)析出NbC型析出相,有助于晶粒和析出相的細(xì)化