【摘要】：加速器驅(qū)動(dòng)次臨界系統(tǒng)(Accelerator Driven Sub-critical System, ADS)是國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)認(rèn)定的最有前景的嬗變核技術(shù)之一,也是目前國(guó)際上新型核能系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)之一。ADS系統(tǒng)的高負(fù)載結(jié)構(gòu)如包殼、散裂靶等在高溫、高輻照環(huán)境下工作,并與液態(tài)Pb-Bi合金接觸,將承受液態(tài)金屬侵蝕、輻照損傷及交變熱疲勞的綜合作用,須具備良好的耐高溫、抗輻照、抗液態(tài)金屬腐蝕等物理化學(xué)性能。以鐵素體／馬氏體雙相組織為基體的T91鋼,具有優(yōu)良的高溫強(qiáng)度和抗氧化性能,已作為高溫結(jié)構(gòu)材料在火力發(fā)電系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用,被認(rèn)為是未來(lái)嬗變反應(yīng)堆ADS系統(tǒng)中最有前景的候選材料之一。為了進(jìn)一步完善T91鋼的組織與性能,尤其是高溫疲勞性能和抗液態(tài)Pb-Bi合金腐蝕性能,本文在傳統(tǒng)T91鋼的基礎(chǔ)上,試圖通過(guò)彌散強(qiáng)化、表面鈍化及取向優(yōu)化等手段,對(duì)其表面及內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)及其綜合性能進(jìn)行調(diào)控,為滿足ADS系統(tǒng)的應(yīng)用要求提供理論和技術(shù)基礎(chǔ)。本文的主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下： 1、氧化物彌散強(qiáng)化(ODS)方法 以微米級(jí)Y203顆粒為增強(qiáng)相,以T91鋼為基體,分別采用直接鑄造法和中間合金鑄造法對(duì)T91鋼ODS方法進(jìn)行了研究。 在直接鑄造法中,將微米級(jí)的Y203顆粒直接加入液態(tài)T91鋼,借助電磁攪拌作用使之在熔體中均勻分布。微觀組織分析表明,在Y203顆粒與T91鋼基體的界面上形成了含Y的氧化物顆粒,尺寸在2～5μm之間。該氧化物顆粒通過(guò)Orowan強(qiáng)化機(jī)制使材料強(qiáng)度得到明顯提高,同時(shí)塑性也得到改善,形成典型的均勻韌窩拉伸斷口。當(dāng)Y203添加量為0.2wt.%和0.4wt.%時(shí),通過(guò)高溫正火加回火熱處理,T91鋼的抗拉強(qiáng)度分別提高了11.6%和17.7%。相比之下,添加0.4wt.%Y203的9Cr低活化鋼也顯示出明顯的強(qiáng)化效果,其抗拉強(qiáng)度提高了14%。這些結(jié)果證明,直接鑄造法是實(shí)現(xiàn)ODS的有效方式。 在中間合金鑄造法中,先將純Fe粉和Y203粉末在高能球磨機(jī)中研磨,使Y203顆粒尺寸減小至納米級(jí)并使兩種顆粒充分混合并均勻分布,然后通過(guò)燒結(jié)形成塊體Fe-Y2O3中間合金。在T91鋼熔煉時(shí)將該塊體材料加入熔體,熔化后便得到納米Y203在T91鋼中彌散分布的復(fù)合組織。經(jīng)TEM觀察,證明在基體上彌散分布著數(shù)十納米的Y203顆粒。經(jīng)拉伸試驗(yàn),該合金平均抗拉強(qiáng)度較復(fù)合前提高了9.6%,而斷后伸長(zhǎng)率基本保持不變。說(shuō)明該方法可以實(shí)現(xiàn)納米級(jí)Y203顆粒在T91鋼中的彌散分布并產(chǎn)生強(qiáng)化效果。 2、表面鈍化方法 為了改善T91鋼耐液態(tài)金屬腐蝕性能,對(duì)T91鋼表面鈍化方法進(jìn)行了研究。通過(guò)表面浸滲鋁結(jié)合熱處理,在T91鋼表面形成Fe-A1金屬間化合物層。經(jīng)SEM觀察與XRD測(cè)試,證明浸鋁層厚約60μm,浸滲態(tài)下浸鋁層由Al、FeAl3和Fe2Al5三種相組成。經(jīng)1050℃x0.5h擴(kuò)散熱處理,所有金屬間化合物全部轉(zhuǎn)變?yōu)镕e3Al,浸鋁層厚度增加到100μm。EDX分析表明,Fe3Al化合物中約有8.9%的Al原子被Cr取代,因此實(shí)際組成為Fe3(Al,Cr)。該浸鋁層顯微硬度與T91鋼基體相近,與基體力學(xué)性能匹配。經(jīng)在Pb-Bi液態(tài)合金中浸泡200h,無(wú)明顯腐蝕,表層O元素含量保持在穩(wěn)定的低水平,證明該浸鋁層具有良好的抗蝕性能。 3、晶體組織控制方法 ADS高負(fù)載結(jié)構(gòu)在與Pb-Bi液態(tài)金屬接觸的高溫環(huán)境下工作,除了受輻照和液態(tài)金屬的腐蝕以外,還將受到交變熱應(yīng)力的反復(fù)加載作用,在Pb-Bi液態(tài)金屬流動(dòng)的軸向產(chǎn)生疲勞裂紋。因此,提高T91鋼特定方向的耐熱疲勞性能對(duì)于延長(zhǎng)ADS高負(fù)載結(jié)構(gòu)的服役壽命是至關(guān)重要的。本文利用定向凝固方法,研究了不同溫度梯度和凝固速度條件下T91鋼定向凝固組織的形成過(guò)程、晶體形貌及其影響因素。通過(guò)相圖分析和微觀組織觀察,發(fā)現(xiàn)T91鋼定向凝固組織中含有塊狀鐵素體、板條狀鐵素體、殘余奧氏體、多個(gè)生長(zhǎng)方向的馬氏體以及各類碳化物相,其中板條狀鐵素體沿晶體生長(zhǎng)方向排列整齊。此外,凝固界面同時(shí)存在胞狀和枝狀晶體,向生長(zhǎng)方向凸起。定向凝固初期,組織中出現(xiàn)了相互垂直的馬氏體組織；隨著生長(zhǎng)的進(jìn)行,定向溫度場(chǎng)趨于穩(wěn)定,柱狀枝晶以α鐵素體為主；在凝固后期,柱狀枝晶末端出現(xiàn)大片馬氏體和高溫鐵素體。由于橫向散熱效應(yīng),柱狀晶之間存在5-15°的偏轉(zhuǎn)角,該偏轉(zhuǎn)角隨凝固速率增大而增加。在靠近試樣外側(cè)的區(qū)域,發(fā)現(xiàn)存在兩個(gè)方向生長(zhǎng)的柱狀晶,這與兩個(gè)方向的熱流有關(guān)。 對(duì)不同凝固組織進(jìn)行的彈性模量測(cè)試表明,隨凝固速率增加,試樣縱向彈性模量增大,在124GPa至216GPa之間變化。彈性模量大小與凝固組織存在以下關(guān)系：E枝晶E胞晶E馬氏體≈E等軸晶E兩個(gè)方向枝晶E30°以上偏轉(zhuǎn)角。此外,彈性模量還具有強(qiáng)烈的方向性。按偏轉(zhuǎn)角大小排列為Eo°E5°E15°E等軸晶E90°E30°E45°。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TG142.1

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2452637