He+辐照对不锈钢TIG焊焊缝微观形貌与性能的影响

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不锈钢材料因为良好的力学性能,在核电产业中使用广泛。但是核反应堆的环境比较特殊,中子辐照对材料的辐照损伤和材料性能方面的影响是近年来国内外学者开始研究的热点问题。国内外学者对核电材料的辐照效应做了大量研究,但是对焊缝的辐照效应研究得相对较少。本文对304奥氏体不锈钢、430铁素体不锈钢和T91马氏体不锈钢分别进行手工TIG焊接,对焊缝进行He+辐照。通过SRIM软件模拟三种不锈钢焊缝的辐照损伤;并通过对辐照后的焊缝进行XRD、SEM等测试,表征了辐照后三种不锈钢焊缝的晶体结构和表面微观形貌,研究了不同辐照剂量对三种不锈钢焊缝微观形貌的影响规律及变化机制;利用纳米压痕表征辐照前后的焊缝表面硬度,结合TEM测试和辐照硬化理论研究辐照剂量对焊缝辐照硬化的影响规律以及三种不锈钢焊缝的抗辐照硬化性能;最后结合工程应用环境,研究了拉应力作用下三种不锈钢焊缝的辐照损伤行为以及辐照对不锈钢焊缝耐腐蚀性能的影响。SRIM模拟表明辐照剂量增加,三种不锈钢焊缝的损伤量、He+辐照最大深度均增大,入射离子产生二次级联碰撞的比例也增大。辐照后,304焊缝(111)晶面的衍射峰角度随着辐照剂量的增大先向高角度偏移后向低角度偏移;430与T91焊缝(111)晶面的衍射角都随着辐照剂量的增大向低角度偏移。辐照后三种不锈钢焊缝XRD衍射峰的强度有所改变;20~40nm的小尺寸位错环分割晶粒,使得衍射峰均不同程度变宽。辐照后不锈钢焊缝中形成的位错、位错环以及氦泡等结构导致表面形貌的变化以及辐照硬化。辐照后焊缝表面出现小孔洞和凸起,且辐照剂量越高,表面形貌变化越明显。不同剂量辐照导致三种不锈钢焊缝的粗糙度先增加后减小。辐照剂量为2.1×1016n/cm~2时,He+辐照的溅射.效应,增加了焊缝的表面粗糙度。辐照剂量增加到2.1×1017n/cm~2时,辐照的沉积效应在焊缝表面产生的弥合作用使得表面粗糙度出现了下降。辐照剂量增加,辐照热效应增强,辐照缺陷的尺寸和分布密度也随之增大,辐照硬化.增量增加。辐照剂量相同时,430与T91不锈钢焊缝的辐照硬化率接近,304奥氏体不锈钢焊缝的辐照硬化率最高,表明304奥氏体不锈钢焊缝的抗辐照硬化性能较差。拉应力的引入对304不锈钢焊缝表面的辐照缺陷影响最大。外加拉应力作用下,304不锈钢焊缝的缺陷间距变化最大,缩小了61.5%;缺陷尺寸增长了59.2%。T91、304、430三种不锈钢焊缝的辐照硬化在拉应力状态下的相对硬度增长了6.2%、9.3%、15%。综合比较这三种材料在有外加拉应力作用下的抗辐照硬化性能方面,T91马氏体不锈钢焊缝的抗辐照硬化性能相对优异。辐照后,三种不锈钢焊缝的耐腐蚀性能均降低,且辐照剂量越高,耐腐蚀性能越差。辐照对304和430不锈钢焊缝的耐腐蚀性能影响较大,对T91不锈钢焊缝的耐腐蚀性能影响较小。
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