论文部分内容阅读
以液态铅铋作为冷却剂的铅冷快堆,由于其在经济、安全和可持续等方面的突出优势,在国际上受到越来越多的关注。但是铅冷快堆堆芯温度高、辐照剂量高、冷却剂腐蚀性强、密度大、流速快,在这种服役环境下的包壳材料会经受严重的腐蚀,导致材料性能的退化进而对反应堆的安全运行产生威胁。如何通过成分设计、组织控制获得耐高温、耐铅铋腐蚀、抗辐照的包壳材料,一直是研究热点。本论文在15Cr-15Ni-Ti（15-15Ti）系列奥氏体不锈钢成分的基础上,向钢中引入稀土钇元素,采用真空熔炼法搭配快速浇注工艺及热锻与热轧制备了 50kg的15-15Ti-Y钢,通过固溶与冷轧及退火的方式调控微观组织,进一步实现组织均匀和晶粒细化的目的。Y添加量为0、0.25wt.%和 0.50wt.%的 15-15Ti 钢分别被命名为 15-15Ti-00Y、15-15Ti-25Y 和15-15Ti-50Y钢。通过高温拉伸、蠕变、时效、铅铋腐蚀实验评估15-15Ti-Y钢的高温机械性能、高温稳定性和耐铅铋腐蚀性能,并阐明稀土元素Y影响15-15Ti钢上述关键性能的机制。研究内容和主要结论如下:（1）15-15Ti-Y钢的组织调控与Y含量优化:针对15-15Ti-Y钢,建立了 1200℃固溶1h-80%变形量冷轧-1000℃退火1h的组织调控制度。15-15Ti-25Y钢具有比15-15Ti-00Y和15-15Ti-50Y钢更优异的室温拉伸性能,其室温抗拉和屈服强度分别为651和340MPa,断后伸长率为52.0%。15-15Ti-25Y基体中存在更多细小第二相是在不牺牲塑性的前提下,强度提高的主要原因。热轧 15-15Ti-00Y 钢中 TiC 的数密度为 3.10× 1020m-3,而 15-15Ti-25Y 钢中TiC和Y-O颗粒的总数密度为9.40 ×1020m-3,后者几乎是前者的3倍。15-15Ti-50Y钢中条带状分布TiC和粗大Y-O颗粒导致其拉伸性能反而不如15-15Ti-25Y钢。基于微观组织和室温机械性能结果筛选出Y的最优添加量为0.25wt.%,平均晶粒尺寸为16μm。（2）15-15Ti-25Y的高温机械性能:15-15Ti-25Y钢在200-700℃的屈服强度始终高于15-15Ti-00Y钢。两种钢在400℃和600℃具有相对较低的断后伸长率与断面收缩率主要与动态应变时效（dynamic strain aging,DSA）现象有关,推导出的15-15Ti-00Y与15-15Ti-25Y钢在600℃下的位错运动激活能分别为184.4和225.9kJ·mol-1,即15-15Ti-25Y钢中位错运动需要更多的能量,这主要与其基体中含有几乎三倍于15-15Ti-00Y钢的第二相数密度有关。基于Orowan强化方程计算的15-15Ti-25Y钢在600℃拉伸时第二相对屈服强度的贡献约为105MPa。15-15Ti-25Y钢的最小蠕变速率较低,在650℃/250MPa 和 700℃/200MPa 分别为 9× 10-8s-1 和 4×10-7s-1。15-15Ti-25Y 钢在550℃、650℃和700℃下的应力指数分别为4.2、5.2和5.4,表明其蠕变变形为位错蠕变机制。（3）15-15Ti-25Y钢的时效性能:Y添加对15-15Ti钢时效性能的影响机制主要包括（Ⅰ）抑制再结晶过程和后续晶粒长大过程。500℃时效1000h后,15-15Ti-00Y钢已经完全再结晶,而15-15Ti-25Y钢在600℃和700℃时效1000h后仍处于再结晶过程中。（Ⅱ）促进晶内第二相析出,在降低第二相尺寸的同时提高了数密度。500℃时效后15-15Ti-25Y比15-15Ti-00Y额外析出了 Chib。600-700℃ 时效后 15-15Ti-25Y 钢中 Ti（C,N）、Chib 和 Chir 的尺寸更小。经500、600、700℃时效1000h后,15-15Ti-00Y钢晶内析出相数密度分别为 1.6×1013、6.7×1013 和 9.7×1013m-2,而 15-15Ti-25Y 钢晶内析出相数密度分别为2.2×1013、9.0×1013和20×1013m-2。（Ⅲ）抑制晶界处M23C6的链状析出。两种钢在500℃时效时晶界几乎未见M23C6;600-700℃时效1000h后,15-15Ti-00Y钢晶界处M23C6的面积分数分别为6.0%和13.6%,15-15Ti-25Y钢晶界处M23C6的面积分数分别为2.4%和9.7%。计算结果显示Y在晶界的浓度富集比显著高于Mo、Ni、Cr、Ti元素,表明Y是强晶界偏聚元素,这有利于阻碍晶间M23C6相的形成和粗化。Y添加的上述优点导致15-15Ti-25Y钢在500-700℃时效1000h后表现出比15-15Ti-00Y钢更高的硬度、冲击韧性和均匀延伸率。（4）15-15Ti-25Y 钢的抗铅铋腐蚀性能:15-15Ti-00Y 和 15-15Ti-25Y 钢的所有腐蚀后样品均呈现双层氧化膜结构特点,其中外层为磁铁矿,内层为Fe-Cr尖晶石结构。随着腐蚀温度的升高,Fe-Cr尖晶石层的厚度逐渐增加。随着氧浓度从10-6wt.%升高至饱和氧,所有样品的尖晶石层均变厚。温度与氧浓度升高促进了 O原子的内扩散,导致Fe-Cr尖晶石更厚。与15-15Ti-00Y相比较,15-15Ti-25Y钢具有更好的抗铅铋腐蚀性能。一方面,15-15Ti-25Y钢的氧化速率更低;另一方面,经600℃饱和氧LBE腐蚀5000h后,15-15Ti-00Y钢表面氧化层剥落了,而15-15Ti-25Y钢表面氧化层依然连续而完整,Fe-Cr尖晶石层厚度仅为5.3μm。Y的加入促进了更薄而致密的FeCr2O4尖晶石氧化层形成。模拟结果表明,尖晶石氧化层的形成能约为-18.70kJ·mol-1,含Y尖晶石氧化层的形成能约为-38.56kJ·mol-1,这也证明Y的添加确实可以使致密的尖晶石氧化物层更容易形成。