核反应堆用铁素体/马氏体耐热钢成分设计及性能研究

摘要

全球能源需求的日益增加和环保意识的不断提高促进了核能等清洁能源的开发和利用。核反应堆长期暴露于高温高压和强辐照的恶劣环境,因此对结构材料有较高的要求,如良好的高温性能、低的辐照肿胀性和低活性等。低活化铁素体/马氏体钢因其良好的性能、成熟的制备工艺以及较为完善的性能数据库成为首选核反应堆结构材料之一。然而目前低活化铁素体/马氏体钢的最高使用温度偏低,为600-625℃,不能满足第四代裂变堆和聚变堆的使用要求,为此急需开发新型核反应堆用铁素体/马氏体耐热钢。同时,低活化铁素体/马氏体钢中避开或减少了高活化元素的含量,对合金设计带来了一大挑战。
　　本文主要目标是设计在650℃下具有较好性能的低活化铁素体/马氏体钢。此研究在9Cr2WVTa的基础上,以合金元素的作用机理以及JMatPro热力学计算为理论指导调整其合金成分,通过选择合理的热处理参数获得目标组织结构。通过组织观察和性能表征评估该钢是否满足使用要求,并总结合金元素的作用规律。本文首先试制了美国橡树岭实验室的9Cr2WVTa钢并对其进行表征,并在此基础上设计和表征了马氏体型(9/10Cr)和铁素体型(10Cr6W)低活化耐热钢。
　　ORNL-9Cr2WVTa钢具有全马氏体板条结构,表现出较好的拉伸性能和较差的蠕变性能。板条强化和析出相强化的协同作用下,该钢表现出良好的拉伸性能。但是从组织分析中可以看出马氏体晶粒内部板条界连续分布M23C6析出相较少,对蠕变过程中马氏体板条粗化的延缓作用较弱,导致其蠕变性能较差。原因可能为ORNL-9Cr2WVTa钢中Cr和W等M23C6析出相形成元素含量不多,导致M23C6析出相含量少且主要分布在原奥氏体晶界,在板条界含量较少。
　　Cr和W含量的提高都会导致9Cr2W钢基体中保留至室温的δ铁素体含量增加,从而力学性能下降。W含量的增加对δ铁素体含量的影响小于Cr含量的影响。W含量提高至3％的9Cr3W钢通过固溶强化和析出相强化获得良好的抗拉强度和适中的塑性。
　　9Cr3W钢中加入0.03%的低活化元素Ti即可获得与添加1%的高活化元素Co相当的蠕变性能。组织上,Ti的加入可以细化原奥氏体晶粒和析出相,使得析出相在基体上均匀弥散分布。Co会加剧M23C6型析出相的团聚,使得析出相沿晶界析出。Ti和Co都对9Cr3W钢有强化作用。9Cr3W钢在650℃,120MPa下的蠕变断裂寿命为264 h,加入Co和Ti之后分别可延长至502 h和516 h。Co对蠕变第一阶段有较大的延缓作用,而Ti对蠕变第二阶段具有较大延缓作用。低活化9Cr3W钢中可用低活化的Ti代替高活化的Co,且0.03%的Ti添加量对650℃,120MPa下的蠕变性能的提高就可以达到1%Co添加量的效果。9Cr3W钢蠕变后析出Laves相,而9Cr3W-Ti和9Cr3W-Co钢中Laves相析出较为缓慢。
　　10%的Cr含量与6%的W含量可以获得铁素体基体上分布大量Laves相的低活化钢。10Cr6W钢中的析出相以Fe2W型Laves相为主,而加入Nb和C后基体中会析出NbC型析出相,有助于晶粒和析出相的细化。而10Cr6W-NbNi钢具有两种尺寸的析出相,一种为高温时形成的Fe2Nb型Laves相,另一种为低温时形成的Laves型析出相。10Cr6W-NbC钢中加入Ti将会细化组织,改变析出相类型、形貌与分布。10Cr6W钢中加入Nb和Ti都可增加其力学性能,这主要是因为析出相强化及细晶强化。

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第一章绪论

1.1引言

1.2核电用铁素体/马氏体耐热钢的发展[3，4]

1.3 核电用铁素体/马氏体耐热钢的冶金学基础

1.4 核电用铁素体/马氏体耐热钢的介绍

1.5 核电用铁素体/马氏体钢的成分设计

1.6 本课题研究内容及意义

第二章热力学计算及实验方法

2.1 JMatPro热力学计算

2.2材料的制备

2.2成分与相测试

2.3组织观察

2.4力学性能测试

第三章马氏体型低活化钢的制备与性能研究

3.1引言

3.2 9Cr-2WVTa钢的制备及性能

3.3 Cr和W的变化对9Cr2W马氏体钢的影响研究

3.4 Ti和Co对9Cr3W马氏体钢的影响研究

3.5本章小结

第四章9Cr3W系列马氏体型低活化钢蠕变性能及其组织演变

4.1引言

4.2 9Cr3W系列马氏体钢的蠕变性能

4.3 9Cr3W系列马氏体钢蠕变过程中的组织演变

4.4本章小结

第五章铁素体型低活化钢的制备与性能研究

5.1引言

5.2 10Cr6W系列铁素体型马氏体钢的组织及性能研究

5.3 Ti对10Cr6W-NbC的影响研究

5.4本章小结

第六章结论

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文