CLAM钢TIG焊焊接接头的高温蠕变性能研究

摘要

中国低活化马氏体CLAM钢因其优良的热物理特性以及成熟领先的技术基础，被普遍认为是未来聚变反应堆示范电站及商业化聚变电站的首选包层结构材料。针对CLAM钢结构材料的工作环境，研究其焊缝在高温运行条件下的力学性能变化，对提高其蠕变持久强度及蠕变寿命有着十分重要的理论和现实价值。数学建模及合理、正确预测参数的选择将有效地预测其实际服役条件下的蠕变性能和持久断裂强度。
　　本文在综合参考了国内外对多种典型 RAFM钢研究方法的基础上，制定了实验方案：利用自制焊丝作为填充材料，采用TIG焊工艺对5mm厚的CLAM钢板进行双层对接焊。并将焊件分为两组，其中一组焊后进行760℃/30 min的回火处理，另一组不进行热处理，进行对比分析。利用现代分析测试手段，观察两组焊接接头的微观组织形态，测试分析其显微硬度，冲击吸收功以及高温瞬时拉伸强度。另外，利用电子蠕变持久试验机，对经过回火处理的接头进行高温蠕变试验，研究分析其蠕变曲线变化规律及蠕变参数；利用SEM，TEM电子显微镜分别观察蠕变断口形貌以及蠕变过程中不同时间点焊接接头微观组织中的位错分布；最后根据Larson-Miller参数，对焊接接头的长期蠕变断裂强度进行预测。试验结果表明，CALM TIG焊焊接接头符合正常蠕变规律，包括瞬时、稳态、快速三个蠕变阶段，在温度一定的情况下，随着应力水平的提高，稳态蠕变速率ε不断增大，蠕变断裂时间逐渐缩短。通过幂律方程得到的焊接接头稳态蠕变阶段的应力因子 n值为15，大于合金材料的典型值3~7。另外，CLAM钢的激活能 Q约为436 KJ/mol.K大于铁的自扩散激活能（300KJ/mol.K），说明在目前应力条件和温度范围内，焊接接头稳态蠕变阶段的蠕变变形机制为位错蠕变。通过对焊接接头TEM微观形貌的观察发现，在550℃、180 MPa的条件下，随着蠕变时间的不断增加，板条马氏体晶界处的位错逐渐增多，聚集并产生塞积，阻碍位错运动，减缓蠕变变形，从而使得稳态蠕变阶段的蠕变速率减小。借助于断口形貌学理论对CLAM钢焊接接头的蠕变断裂行为进行分析，断裂方式为典型的韧性断裂。此外，韧窝中分布着大小不等的球形颗粒，说明其为等轴韧窝。利用 Larson-Miller参数方程对CLAM钢 TIG焊焊接接头在550℃/100000h的服役条件下的高温蠕变断裂强度进行预测，其预测值为106 MPa，接近于母材CLAM钢140MPa的服役条件，说明焊接接头的高温蠕变性能合格。

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第一章 绪论

1.1 核聚变能研究现状

1.2 RAFM钢及其焊接的研究进展

1.3 低活化马氏体钢蠕变性能研究现状

1.4本文主要研究内容

第二章 CLAM钢的焊接试验

2.1实验方案

2.2试验材料

2.3试验装置

2.4 试验过程

2.5力学性能测试

2.6焊接接头各部分显微组织测试

第三章 焊后热处理对CLAM钢焊接接头组织及性能的影响

3.1焊后热处理对CLAM钢TIG焊焊接接头组织的影响

3.2焊后热处理工艺对CLAM钢TIG焊焊接接头力学性能的影响

3.3本章小结

第四章CLAM钢焊接接头蠕变变形机制分析及长期蠕变断裂强度预测

4.1 CLAM钢TIG焊焊接接头高温蠕变曲线

4.2蠕变变形机制分析

4.3断口形貌分析

4.4长期蠕变断裂强度预测

4.5本章小结

第五章结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文