W含量对Ni-xW-6Cr合金微观组织和拉伸力学性能的影响研究

发布时间：2020-04-25 05:49

【摘要】：熔盐堆是第四届反应堆国际研讨会上被提出的六种第四代反应堆型之一。作为六种堆型中的唯一液态堆,熔盐堆与其它传统类型的反应堆相比具有安全性、经济性和高效性等优点,但设计的特殊性使核燃料混融于高温熔盐中,结构材料直接与核燃料和高温熔盐接触,处于高温、强腐蚀和中子辐照等极端服役环境,因此对结构材料的性能要求极为严苛。Hastelloy N合金是钍基熔盐堆最成熟的结构材料,具有良好的综合性能,但其最高许用温度仅为725℃,而要实现高温制氢等高效率的能量转换,需要熔盐堆服役于800℃以上,因此结构材料已成为限制熔盐堆发展关键瓶颈之一,研发更高温度(800℃以上)熔盐堆用合金已成为急需解决的课题。法国国家科学研究院(CNRS)以Hastelloy N合金为基础,用W元素完全替换Hastelloy N合金中的Mo元素,提出了EM-721(Ni-26W-6Cr)合金。初步的研究结果表明其在850℃下具有优异的拉伸和高温蠕变性能,但目前对于低Cr含量的Ni-W-Cr合金体系力学性能研究仍非常欠缺,其成分尚待进一步优化。其中最主要的问题在于主元成分W对于Ni-W-Cr合金的强化作用机理仍不清楚。因此有必要系统地研究W含量对Ni-W-Cr合金力学性能的影响规律,为进一步优化合金成分奠定基础。本论文主要研究了不同W含量(10-35wt.%)对Ni-x W-6Cr合金组织形貌以及室温和中温(650℃)力学性能的影响,利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)及力学拉伸测试等多种先进的实验手段,结合相图计算以及相关合金设计理论,对Ni-x W-6Cr合金的强化机理以及最佳W成分含量进行了深入地探讨。主要研究成果如下:1.Ni-(10-30wt.%)W-6Cr合金为单相奥氏体组织,无明显的析出相出现,平均晶粒尺寸均约为210μm。Ni-35W-6Cr合金的平均晶粒尺寸约为20μm,并且基体中大量分布着细小弥散的α-W析出相。2.W含量增加导致Ni基体的晶格畸变量增加。W含量每增加5wt.%,奥氏体基体的晶格产生0.22-0.31%的畸变。3.Ni-x W-6Cr合金的室温和中温力学行为:室温拉伸时,Ni-(10-30wt.%)W-6Cr合金的屈服强度、抗拉强度及延伸率随着W含量的增加而提高;当W含量超过固溶极限时,Ni-35W-6Cr合金的屈服强度及抗拉强度的提升幅度较大,但延伸率下降。Ni-x W-6Cr合金的断口形貌表明室温断裂模式为穿晶韧性断裂,并且W含量增加有利于塑性的提高。650℃拉伸时,Ni-(10-30wt.%)W-6Cr合金的屈服强度、抗拉强同时提高,当W含量超过固溶极限时,Ni-35W-6Cr合金的屈服强度及抗拉强度的提升幅度较大。650℃拉伸的延伸率都比较小并且没有呈现出明显的趋势,但W含量为35wt.%(超过固溶极限)时,延伸率会有所提高。Ni-x W-6Cr合金的断口形貌表明中温断裂模式为沿晶脆性断裂。4.Ni-x W-6Cr合金的强化机制包括固溶强化、孪晶强化(堆垛层错能降低)、细晶强化以及第二相强化等。Ni-x W-6Cr合金普遍存在中温脆性,主要是由晶粒和晶界的不协调变形所导致。5.为熔盐堆设计的Ni-x W-6Cr合金中W的最佳成分含量应为27.7-34wt.%。
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(上海应用物理研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TL341

【参考文献】