【摘要】：隨著第四代核能系統(tǒng)的提出,當(dāng)前正在使用的燃料包殼材料不能夠滿足第四代核能系統(tǒng)的要求,所以需要尋求和開發(fā)新的能夠滿足第四代核能系統(tǒng)的燃料包殼材料。由于Fe-Cr-Al合金的較好的高溫強(qiáng)度和抗高溫氧化能力優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn),以及在火力發(fā)電應(yīng)用時(shí)較好的表現(xiàn),被認(rèn)為是新一代核能系統(tǒng)核燃料包殼材料的候選材料之一。本文全面系統(tǒng)的開展了核燃料包殼材料Fe-Cr-Al合金的制備、熱處理、熱加工以及微觀組織、力學(xué)性能、高溫氧化性能等試驗(yàn)研究,對(duì)材料的微觀組織進(jìn)行調(diào)控,對(duì)相關(guān)斷口特征、裂紋分布和氧化膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析,研究了空氣氛圍、水蒸氣氛圍氧化機(jī)制,發(fā)現(xiàn)了以下規(guī)律:(1)Fe-13Cr-6Al合金的1150℃均勻化退火處理20min后空冷處理的試樣晶粒尺寸適中,晶粒大小均勻,得到的合金組織較好;Fe-13Cr-6Al合金經(jīng)過800℃熱軋,1000℃再結(jié)晶退火這種溫度工藝處理的試樣不但在結(jié)晶完全,而且晶粒細(xì)密,得到的合金組織較好。(2)隨著Al含量的增加,Fe-Cr-Al合金仍為α-Fe單相結(jié)構(gòu),屬于鐵素體,其相結(jié)構(gòu)并沒有隨著Al元素的變化而變化,硬度明顯提高;隨著Al的升高,合金的彈性模量變化并不明顯;Fe-Cr-Al合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨著Al含量升高而升高,其中合金Fe-13Cr-6Al的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度最高達(dá)到421MPa和495MPa,合金的斷裂伸長率隨Al元素含量的升高而降低。成分為Fe-13Cr-6Al的Fe-Cr-Al合金其抗拉強(qiáng)度最好,斷裂伸長率最小,綜合考慮,Fe-13Cr-5Al的力學(xué)性能最優(yōu)異,其抗拉強(qiáng)度為459.37MPa,屈服強(qiáng)度達(dá)到377.50MPa,斷裂伸長率為23.6%。其力學(xué)性能優(yōu)于鋯合金等傳統(tǒng)包殼材料。(3)從氧化實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看,在1200℃空氣氣氛中Fe-Cr-Al合金中的Al含量達(dá)到5wt.%時(shí),就可以形成防護(hù)效果較好的氧化膜;而在1200℃水蒸氣環(huán)境中Al含量需要達(dá)到6wt.%;表面物相來看,在1200℃空氣環(huán)境中Al元素至少要達(dá)到3wt.%才能形成連續(xù)的Al_2O_3薄膜;而在1200℃水蒸氣環(huán)境中Al元素至少要達(dá)到4wt.%才能形成連續(xù)的Al_2O_3薄膜;氧化熱力學(xué)計(jì)算來看,不論是在1200℃空氣環(huán)境中還是1200℃水蒸氣環(huán)境中,Al氧化形成Al_2O_3的反應(yīng)具有最高的吉布斯自由能,并且Al元素能夠與Cr_2O_3、Fe_2O_3和FeCr_2O_4發(fā)生反應(yīng),Al元素含量的增加則能夠增加形成的Al_2O_3薄膜生成的速度和質(zhì)量,使其快速的生成連續(xù)而致密的Al_2O_3薄膜,并且有一定厚度,可以延緩甚至阻止氧化膜繼續(xù)生成�？傮w而言,Fe-Cr-Al合金的力學(xué)性能以及抗高溫氧化性能遠(yuǎn)優(yōu)于其他傳統(tǒng)包殼材料,是核反應(yīng)堆事故容錯(cuò)核燃料(ATF)包殼的首要選擇。
【圖文】：

哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文損傷機(jī)理。4）Fe-Cr-Al 合金高溫抗氧化性能研究把 Fe-Cr-Al 合金控制其 Al 元素含量分別置于空氣氛圍和水蒸氣氛圍進(jìn)行恒溫掃描電鏡觀察合金表面氧化膜的形貌，繪制不同 Al 元素含量的合金氧化動(dòng)力確定引起合金耐高溫氧化性能差異的因素，分析其氧化層穩(wěn)定性及氧化膜形成機(jī).3 課題技術(shù)路線根據(jù)本課題研究內(nèi)容制定的技術(shù)路線如下圖 1.1 所示。

圖 2.1 Fe-Cr-Al 合金等溫相圖料的成分設(shè)計(jì)方案等溫相圖確定 Al、Cr 元素含量如下：的確定可知，Cr元素的含量為13wt.%上下，F(xiàn)e-C的含量確定為 13wt.%定值。的確定圖可知，F(xiàn)e-Cr-Al 合金的作為包殼材水平。當(dāng) Al 含量高于 1wt.%時(shí)，合金的t.%時(shí)，合金的機(jī)械加工性能急劇下降，擇 Fe2CrAl 相區(qū)附近作為試樣合金所選的為在 13wt.%，余量為 Fe，，研究 Al 含量對(duì)
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TF64;TM623

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本文編號(hào)：2699305