如何處理核廢料是核電可持續(xù)發(fā)展面臨的重要難題。加速器驅(qū)動(dòng)次臨界系統(tǒng)(Accelerator Driven Sub-critical System,ADS)因其強(qiáng)大的嬗變長(zhǎng)壽命放射性核廢料的能力而被廣泛關(guān)注。低活化鐵素體/馬氏體鋼(RAFM)由于其良好的抗輻照性能、優(yōu)異的熱物理特性和力學(xué)性能,被認(rèn)為是ADS散裂靶的主要候選結(jié)構(gòu)材料之一。但散裂靶嚴(yán)苛的服役環(huán)境對(duì)結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能以及與液態(tài)Pb-Bi共晶(LBE)的相容性等提出了更高的要求。為此,本論文以9Cr2WVTaRAFM鋼為研究對(duì)象,提出通過(guò)室溫旋鍛變形和后續(xù)退火工藝來(lái)調(diào)控組織結(jié)構(gòu),制備出碳化物細(xì)小彌散分布的超細(xì)晶組織,進(jìn)而來(lái)改善其相關(guān)性能。采用掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)、電子背散射衍射(EBSD)、電子探針(EPMA)等方法系統(tǒng)研究了超細(xì)晶9Cr2WVTa鋼的力學(xué)性能、高溫抗氧化性能以及Pb-Bi相容性,為進(jìn)一步提升RAFM鋼性能提供理論基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)行了更高溫度下使用鐵素體合金的探索,設(shè)計(jì)并制備了新型Fe2Zr相強(qiáng)化Fe-Cr-W-Zr合金,研究了其在室溫和高溫下的力學(xué)性能和斷裂機(jī)理。主要內(nèi)容和結(jié)論如下:(1)研究了室溫旋鍛變形和后續(xù)退火過(guò)程中9Cr2WVTa鋼的組織演變規(guī)律,制備出碳化物細(xì)小彌散分布的超細(xì)晶組織,并分析其對(duì)力學(xué)性能的影響機(jī)理。結(jié)果表明,累積應(yīng)變?yōu)?.81的室溫旋鍛變形可有效細(xì)化原有回火樣品的晶粒尺寸和碳化物尺寸,再經(jīng)700℃退火30 min后,顯著降低旋鍛過(guò)程中產(chǎn)生的高密度位錯(cuò),進(jìn)而得到晶粒尺寸為~350 nm,碳化物尺寸為~50nm且彌散分布的超細(xì)晶組織。細(xì)晶強(qiáng)化和碳化物的析出強(qiáng)化有效提升了材料的強(qiáng)度;同時(shí)細(xì)小彌散分布的碳化物可改善加工硬化能力,并抑制裂紋的萌生與擴(kuò)展,從而提升了材料的塑性。相比于常規(guī)的回火樣品,旋鍛退火樣品在室溫和高溫下具有更高的強(qiáng)度和塑性,以及更好的持久性能。(2)對(duì)比研究了回火樣品和旋鍛退火樣品在550 ℃時(shí)效過(guò)程中的組織演變和力學(xué)性能。結(jié)果表明,旋鍛退火樣品中較低的形變儲(chǔ)能以及析出相的釘扎作用保證了晶粒穩(wěn)定性。在時(shí)效過(guò)程中,兩種樣品中M23C6的數(shù)量和尺寸均有所增加,同時(shí)還伴有Laves相的析出。相比之下,旋鍛退火樣品中更多的大角晶界可為L(zhǎng)aves相提供形核位置,同時(shí)促進(jìn)W的沿晶快速擴(kuò)散,導(dǎo)致旋鍛退火樣品中Laves相的數(shù)密度和面積分?jǐn)?shù)均高于回火樣品。兩種樣品在550 ℃時(shí)效5000 h過(guò)程中均保持了良好的組織穩(wěn)定性,從而保證了力學(xué)性能的穩(wěn)定性。(3)研究了晶粒尺寸和Mn含量對(duì)9Cr2WVTa鋼在650 ℃空氣中高溫抗氧化性能的影響。結(jié)果表明,晶粒細(xì)化顯著促進(jìn)了 Mn的快速外擴(kuò)散,形成了Mn1.5Cr1.5O4和Mn2O3氧化物,提高了氧化膜的致密性,改善了高溫抗氧化性能。由于Mn具有較高的擴(kuò)散速率,同時(shí)富Mn氧化物具有較高的熱力學(xué)穩(wěn)定性,當(dāng)回火樣品中Mn含量提高到0.93 wt.%時(shí),可顯著促進(jìn)氧化膜中富Mn氧化物的形成,提升氧化膜的致密性并降低氧分壓,形成由Mn1.5Cr1.5O4和Cr1.3Fe0.7O3構(gòu)成的致密氧化膜,提高高溫抗氧化性能。(4)研究了晶粒尺寸和Mn含量對(duì)9Cr2WVTa鋼在550 ℃飽和氧壓下Pb-Bi相容性的影響。在腐蝕初期,晶粒細(xì)化會(huì)促進(jìn)氧化膜中Mn和Cr的富集,形成相對(duì)致密的初期氧化膜,降低氧化速率。但隨腐蝕時(shí)間增加,旋鍛退火樣品中較少的晶界M23C6導(dǎo)致晶界上形成的Cr2O3數(shù)量較少,對(duì)O的內(nèi)擴(kuò)散阻礙作用有限,同時(shí)晶粒細(xì)化增加了 O的快速內(nèi)擴(kuò)散通道數(shù)量,從而加速了內(nèi)氧化的發(fā)生,使得后期形成了更厚的氧化膜。提高回火樣品中的Mn含量,會(huì)促進(jìn)合金表面Mn的富集,提升初期氧化膜的致密性,降低氧化速率。但經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間腐蝕后,氧化膜中Pb的滲入以及Mn在Pb中的高溶解度會(huì)降低氧化膜的致密性,這可能是Mn含量較高樣品腐蝕后期氧化膜厚度快速增加的主要原因。此外,相比于回火樣品,滲鋁處理可以在旋鍛樣品表面形成更厚的FeAl保護(hù)層,有效隔離基體與LBE,顯著提升超細(xì)晶9Cr2WVTa鋼的Pb-Bi相容性。(5)設(shè)計(jì)并制備了 Fe2Zr相彌散分布的Fe-Cr-W-Zr鐵素體合金,研究了其在室溫和高溫下的力學(xué)性能與斷裂機(jī)理。在室溫拉伸時(shí),增加Fe2Zr相的數(shù)量可以顯著提升合金的強(qiáng)度,但Fe2Zr相與α-Fe基體之間較差的應(yīng)變兼容性導(dǎo)致了Fe2Zr相的破裂,降低合金的塑性。而在700 ℃拉伸時(shí),由于熱激活作用,合金強(qiáng)度降低,同時(shí)α-Fe基體的充分變形以及Fe2Zr/基體界面分離釋放了界面處的應(yīng)力集中,降低了 Fe2Zr相破裂的可能性,此外韌性的α-Fe基體抑制了裂紋的快速擴(kuò)展,因此顯示了優(yōu)異的高溫塑性。相比9Cr2WVTa鋼,Fe-9Cr-2W-10Zr合金具有更好的高溫強(qiáng)塑性配合以及持久性能,因此其具有作為高溫結(jié)構(gòu)材料的可行性。
【學(xué)位單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TG142.1
【部分圖文】：

圖１５１??Ｆｉｇ．?１．１?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｌｅａｄ－ｂｉｓｍｕｔｈ?ｃｏｏｌｅｄ?ＡＤＳ?ｐｌａｎｔ１５１??

再經(jīng)高溫回火處理后，其位錯(cuò)密度顯著降低，同時(shí)在原奧晶界、馬氏??體板條界以及板條內(nèi)部會(huì)形成大量的析出相。典型回火態(tài)ＲＡＦＭ鋼的組織形貌??如圖１．２所示。板條馬氏體組織中存在多種界面，如原奧晶界、板條束界、板條??塊界、板條界以及亞晶界等。同時(shí)，回火馬氏體板條之間會(huì)存在一定數(shù)量的位錯(cuò)，??其位錯(cuò)密度取決于回火的溫度和保溫時(shí)間。Ｍ２３Ｃ６型碳化物和ＭＸ型碳氮化物是??ＲＡＦＭ鋼高溫屆火后的主要析出相，這些析出相的存在對(duì)ＲＡＦＭ鋼的力學(xué)性能??以及高溫組織穩(wěn)定性具有重要作用。??？?Ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎｓ?．??Ｌａｔｈ?ｂｏｕｎｄａｒｙ??Ｐｒｉｏｒ?ａｕｓｔｅｎｉｔｅ?ｇｒａｉｎ?ｂｏｕｎｄａｒｙ?Ｏ?Ｍ２３Ｃ６?？?ＭＸ??圖１．２典型回火態(tài)ＲＡＦＭ鋼的組織形貌示意圖??Ｆｉｇ．?１．２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ｔｙｐｉｃａｌ?ＲＡＦＭ?ｓｔｅｅｌ?ｉｎ??ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ－ｔｅｍｐｅｒｅｄ?ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ??Ｍ２３Ｃ６型碳化物是鋼中常見(jiàn)的析出相，其晶體結(jié)構(gòu)為面心立方，其中Ｍ主??要為Ｃｒ元素，同時(shí)可能含有Ｆｅ、Ｗ、Ｍｎ等元素。在高溫回火過(guò)程中，Ｍ２３Ｃ６??會(huì)優(yōu)先在原奧晶界和馬氏體板條界上析出，呈現(xiàn)長(zhǎng)棒狀，起到強(qiáng)化界面和提高界??面穩(wěn)定性的作用。Ｍ２３Ｃ６的尺寸一般為７０？３００?ｍｎ，可以提供一定的析出強(qiáng)化效??果，但其在長(zhǎng)期時(shí)效和蠕變過(guò)程中會(huì)逐漸粗化，進(jìn)而弱化其穩(wěn)定界面和析出強(qiáng)化??的作用。??ＭＸ型碳氮化物是ＲＡＦＭ鋼中重要的析出強(qiáng)化相

相屬于金屬間化合物，具有密排六方結(jié)構(gòu)，主要存在形式為Ｆｅ２（Ｗ，Ｍｏ）。在服役??過(guò)程中，Ｌａｖｅｓ相主要沿界面或者依附Ｍ２３Ｃ６析出［３８］。Ｌａｖｅｓ相的析出數(shù)量與??ＲＡＦＭ鋼中的Ｗ含量有關(guān)，而其析出行為取決于服役溫度和時(shí)間，如圖１．３所??示［２９］。在高溫回火過(guò)程中，Ｌａｖｅｓ相一般不會(huì)析出，但在５５０？６５０?°Ｃ長(zhǎng)期服役過(guò)??程中，其析出現(xiàn)象十分明顯。此外，Ａｇｈａｊａｎｉ等人［３９］發(fā)現(xiàn)，Ｌａｖｅｓ相的析出是一??個(gè)漫長(zhǎng)而持續(xù)的過(guò)程，即使在５５０?°Ｃ，?１２０?ＭＰａ的條件下服役１３９９７１?ｈ后，其??依然沒(méi)有達(dá)到熱力學(xué)平衡狀態(tài)，其密度、尺寸和體積分?jǐn)?shù)仍會(huì)持續(xù)增加。??１０００，???；??＾?９００－?＊??８００１?Ｉ?Ｉ＿＿???１０?１０２?１〇３?１０４??Ｔｉｍｅ?（ｋｓ）??圖１．３?９Ｃｒ－Ｗ鋼中Ｆｅ２Ｗｆｆｉ的溫度－時(shí)間－析出規(guī)律圖｜Ｍ｜??Ｆｉｇ．?１．３?Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ－Ｔｉｍｅ－Ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ?（ＴＴＰ）?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?Ｆｅ２Ｗ?ｉｎ?９Ｃｒ－Ｗ?ｓｔｅｅｌ１２＇）１??Ｌａｖｅｓ相對(duì)ＲＡＦＭ鋼力學(xué)性能的影響十分復(fù)雜。在析出早期，細(xì)�。蹋幔觯澹笙�??的析出雖然消耗了固溶的Ｗ，但其能夠提供更有效的析出強(qiáng)化效果，從而降低??蠕變速率。隨著服役時(shí)間的增加
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2885139