CLAM钢TIG焊接接头在550℃动态铅铋合金中腐蚀行为的研究

发布时间：2017-05-20 11:23

  本文关键词：CLAM钢TIG焊接接头在550℃动态铅铋合金中腐蚀行为的研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：为了早日实现核聚变能的安全应用,国内外研究团队已经对核聚变反应堆的设计和制造做了大量的研究。目前普遍认为,在未来聚变示范电站及商用电站中,液态金属由于良好的物理化学性能被认为可以作为包层模块中的氚增殖剂和冷却剂,而包层所用结构材料的第一选择是低活化铁素体/马氏体钢(RAFM)。CLAM钢作为中国自主研发的RAFM钢,其成分在商业化生产中十分适用,是未来我国聚变堆首选结构材料。焊接技术是包层模块制造中必不可少的技术,而CLAM钢在焊后的性能与母材相比有很大差异。在聚变堆运行过程中,包层结构材料需要在恶劣的环境下长期工作,容易受到液态金属的腐蚀。因此,针对结构材料的工作条件,研究CLAM钢焊接接头在高温液态Pb-Bi中的耐蚀性能对实现聚变反应堆的安全运行具有重要意义。本文利用课题组自主研制的腐蚀试验装置对CLAM钢TIG焊接接头在550℃高速流液态Pb-Bi合金中的腐蚀行为展开了研究,腐蚀时间为1000h。主要研究了相对流速和热处理工艺对CLAM钢TIG焊接接头在液态Pb-Bi中耐蚀性能的影响,流速分别为1.70m/s、2.31m/s、2.98m/s,热处理工艺分别为未经热处理、710℃/0.5h、760℃/0.5h、810℃/0.5h、760℃/1.5h、760℃/2.5h回火。研究发现:在动态腐蚀试验中,CLAM钢焊接试样表层被液态Pb-Bi合金明显腐蚀,表层生成了明显的双层氧化层结构,内氧化层FeCr2O4由表面向内生长,外氧化层Fe3O4由表面向外生长。在外氧化层表面发现有Pb、Bi渗透进来,生成了大量的PbFe4O7。热影响区的整体耐蚀性能要优于焊缝区。腐蚀形式主要是氧化和磨损腐蚀,氧化过程主要是元素Fe、Cr、O、Pb、Bi的扩散迁移过程。氧化的速率随腐蚀时间的延长而降低,腐蚀后期,磨损腐蚀是液态金属腐蚀的主要形式。相对流速的提高加快了元素扩散迁移,并在2.98m/s时表面生成了新相Bi-Fe-O。同时,随着相对流速的提高,在达到2.31m/s及以上时,液态Pb-Bi对外氧化层的磨损腐蚀也越严重,且内氧化层中产生裂纹的倾向也越来越大。在相对流速为2.98m/s时,随着回火温度的提高,试样的耐蚀性能呈现先提高后降低的趋势,在760℃时试样的耐蚀性能达到最佳。在相对流速为2.31m/s时,随着回火时间的延长,CLAM钢焊接试样的耐蚀性能并没有呈现统一的变化趋势,综合考虑材料的耐蚀性能及力学性能,回火时间在1.5h左右时最佳。腐蚀结果表明,相对流速对液态Pb-Bi腐蚀过程的影响是一个复杂的过程:流速太低,达不到传质和冷却效果;流速太高,缩短结构材料的使用寿命。焊接后对试样的回火处理有效地提高了结构材料焊接接头的耐蚀性能,且最佳的焊后热处理工艺是760℃/1.5h后空冷。马氏体组织形态是CLAM钢耐蚀性的决定因素,分布均匀且尺寸均匀细小的马氏体组织以及马氏体组织晶界析出的碳化物能够显著地提高CLAM钢的耐蚀性能,延长CLAM钢在未来聚变反应堆实际应用中的使用寿命。
【关键词】：CLAM钢 液态铅铋 焊接接头 流速 焊后热处理 腐蚀
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG457.11;TG178
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第一章 绪论11-27
• 1.1 引言11-12
• 1.2 核能研究现状12-15
• 1.2.1 核聚变反应堆研究装置12-14
• 1.2.2 聚变反应堆结构材料14-15
• 1.3 国内CLAM钢的研究现状15-22
• 1.3.1 CLAM钢成分与制备15-17
• 1.3.2 CLAM钢的力学和物理性能17-19
• 1.3.3 CLAM钢的焊接性研究19-22
• 1.4 CLAM钢在液态金属中腐蚀现状研究22-26
• 1.4.1 液态铅铋合金简介22-23
• 1.4.2 液态铅铋合金腐蚀机理及影响因素23-24
• 1.4.3 CLAM钢液态金属腐蚀研究进展24-26
• 1.5 本文的研究意义及主要内容26-27
• 第二章 试验材料及方法27-35
• 2.1 试验材料27-28
• 2.1.1 试验用CLAM钢材料27-28
• 2.1.2 试验用铅铋合金28
• 2.2 试验装置28-30
• 2.2.1 液态铅铋腐蚀试验装置28-30
• 2.2.2 试验其他辅助设备30
• 2.3 试验过程及方法30-35
• 2.3.1 试验方案30-31
• 2.3.2 腐蚀试验试样的制备31-33
• 2.3.3 液态铅铋腐蚀试验33
• 2.3.4 腐蚀后检测样品制备33-34
• 2.3.5 检测分析方法34-35
• 第三章 流速对CLAM钢焊接接头Pb-Bi腐蚀行为的影响35-46
• 3.0 引言35
• 3.1 相对流速计算35-36
• 3.2 试验结果分析36-41
• 3.2.1 腐蚀试样表面XRD分析36-38
• 3.2.2 腐蚀试样焊缝区截面SEM和EDS分析38-40
• 3.2.3 腐蚀试样热影响区截面SEM和EDS分析40-41
• 3.3 动态腐蚀机理分析41-43
• 3.3.1 腐蚀过程氧化层形成机理41-43
• 3.3.2 腐蚀后期试样失效形式43
• 3.4 流速对腐蚀过程的影响43-45
• 3.5 本章小结45-46
• 第四章 热处理对CLAM钢焊接接头Pb-Bi腐蚀行为的影响46-62
• 4.1 引言46
• 4.2 热处理温度对试样耐蚀性能影响分析46-54
• 4.2.1 热处理方案制定46-47
• 4.2.2 腐蚀试样表面XRD分析47-48
• 4.2.3 腐蚀试样焊缝截面SEM和EDS分析48-50
• 4.2.4 腐蚀试样热影响区截面SEM和EDS分析50-52
• 4.2.5 热处理温度对腐蚀过程的影响52-54
• 4.3 回火时间对试样耐蚀性能影响分析54-60
• 4.3.1 热处理方案制定54
• 4.3.2 腐蚀试样表面XRD分析54-55
• 4.3.3 腐蚀试样焊缝截面SEM和EDS分析55-57
• 4.3.4 腐蚀试样热影响区截面SEM和EDS分析57-59
• 4.3.5 回火时间对腐蚀过程的影响59-60
• 4.4 本章小结60-62
• 第五章 结论与展望62-64
• 5.1 结论62-63
• 5.2 展望63-64
• 参考文献64-69
• 致谢69-70
• 在读学位期间发表的论文70

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