元素Y对FeCrAl合金组织与性能的影响

发布时间：2020-11-22 00:52

　　 FeCrAl合金具有良好的抗氧化性能以及低的显微热中子吸收截面,且FeCrAl合金表面生成的氧化铝能够有效地阻碍氢的扩散,是核燃料包壳的理想材料。通过真空感应熔炼制备出含有Y元素0、0.044%、0.24%与0.66%四种成分的FeCrAl合金,并对其进行组织观察、相组成分析、热模拟试验、冲击性能测试及拉伸性能测试,研究了Y对FeCrAl合金组织及力学性能的影响。通过研究FeCrAl合金的铸态组织、热变形条件下的变形行为,热处理对FeCrAl合金组织以及冲击、拉伸性能的影响。得到以下主要结论:FeCrAl合金为铁素体基体,铸态下,Y元素从0增加到0.24%时,晶粒逐渐细化,但Y元素含量增加到0.66%时,细化晶粒的作用不明显,而且还会降低合金的锻造加工性。Y在合金中固溶度很低,Y含量为0.044%时,无Fe-Y相析出,当Y元素含量超过其固溶度时,多余的Y则以Fe-Y相的形式存在,以球状或椭球状和网状分布于基体。铸态FeCrAl合金动态再结晶不易发生,合金在10%变形量,1000℃下变形,开始发生再结晶,但即使合金在40%变形量,1100℃下变形,仍发生不完全动态再结晶,变形量越大、温度越高越容易发生动态再结晶,FeCrAl铸态合金塑性良好,高Y合金中的Fe-Y相显著增加合金强度,提高变形抗力,降低塑性。退火热处理温度从650℃到850℃,保温1h后空冷,组织由变形的条形组织逐渐变成等轴晶粒组织,退火温度在650℃时组织无明显变化,当温度在700℃至750℃时出现局部等轴晶组织与流变条状组织的混合组织,当退火温度升至800℃到850℃时,合金发生完全动态再结晶。退火温度在850℃时,晶粒长大。退火过程中有M_(23)C_6型碳化物析出;含有较高Y元素FeCrAl合金中的Fe-Y相能有效的阻止晶粒长大。FeCrAl合金冲击试样断裂方式为沿解理面的穿晶断裂,合金冲击功随着Y元素含量增加先升高后降低。FeCrAl合金拉伸试样断口为韧性剪切滑移型断口,穿晶断裂;屈服强度与抗拉强度随温度升高而降低;室温下的塑性比在400℃时塑性好,且Y元素含量对合金的室温拉伸性能与400℃拉伸性能均无明显影响。
【学位单位】：沈阳工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG141
【部分图文】：

图 1.1 LMFBR 堆芯及其构件Fig. 1.1 The reactor core and structural component of LMFBR中燃料组件中所用的结构材料主要要求是：①在高温下可靠运的辐照损伤；③与燃料和冷却剂有好的相容性；④低的中子寄为正在运行的快增殖堆所用的的燃料和包壳材料[6]。可见，燃料壳材料是 316 不锈钢或者类似 316 不锈钢。因为这种材料基本承受 700℃高温和辐照剂量高达 1023n/cm2（E＞0.1MeV）。料维持燃料棒的完整，防止放射性物质逸入冷却剂中，是放射同时又将燃料与冷却剂分隔开。在燃料组件设计时，燃料棒包壳燃料棒是封闭式结构，裂变气体产物全部释放到燃料棒的内腔里棒内压力逐渐增加，当燃耗到达设计目标时，要求由包壳承受压过材料的允许压力；包壳外表面受冷却剂的腐蚀，内表面受裂蚀，都使包壳的有效厚度减少，这种厚度的减少必然引起包壳

图 1.2 LMFBR 燃料棒在反应堆运行中发生的各种现象1.2 Various phenomena occurring in the operation of the LMFBR fuel rod in the nuclear 之前的研究生中发现，锆合金和300系列的不锈钢暴露在800-1200℃、0.3环境下，当温度达到 1200℃时材料的腐蚀情况相当严重[9]。FeCrAl 合金汽环境中具有良好的抗氧化性能[10]。合金表面的氧化铝薄膜的有效保护 1475℃，接近了其液相线温度（约 1500℃）[11]。由于其表面致密的氧化铝效地阻碍外界环境对金属基体的腐蚀作用，且其氧化铝薄膜具有良好的况下不会发生脱落等情况[12]。并且当 FeCrAl 合金中加入元素钇（Y）时分布在 Fe-Y 相中，Fe-Y 相中铝含量高于基体，铬含量低于基体，该相沿Y 在合金基体中固溶甚微。氧化时，形成钇铝复合氧化物，对氧化膜起到这是 Y 对改善铁铬铝合金氧化膜粘着性的机理。另外，形成的复合氧化铬铝合金的高温强度。由于 Y 元素的加入也使得合金的位错密度有所升进铝选择氧化的原因之一[13]。

a.1200℃蒸汽环境氧化后增量 b.360℃加压水的腐蚀增量图 1.3 FeCrAl 合金在不同情况下的增重Fig. 1.3 Weight gain of the FeCrAl alloys after oxidation in a steam environment at 1200℃and corrosion in pressurized 360℃ water3 FeCrAl 合金的热变形FeCrAl 合金的热加工对合金最终使用性能有很重要的影响。热变形过程中，会位错滑移、攀移、增殖和交割等运动，使合金的组织形态发生很大变化；动态回复态再结晶对合金变形后的晶粒尺寸起到决定性的作用。因此，对合金热变形的研究优化材料的组织，控制和稳定材料性能非常重要。热模拟实验是研究合金热变形规律的基本方法。通过热模拟实验，可以得到材变形的应力应变曲线，分析应力应变曲线，反映合金热变形规律，并与合金组织变关联。.1 真应力-真应变曲线应力-应变曲线是表征材料因变形产生的应力与其对应应变之间的关系曲线，定
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本文编号：2893859