选区激光熔化成形316L不锈钢的离子辐照损伤效应研究

发布时间：2020-04-29 00:57

【摘要】：发展核能是我国当前重要的能源战略选择,先进核能材料是核能安全发展的基础。金属增材制造为复杂精密核电装备设计及制造提供了新的解决思路,然而其工艺与传统制造技术存在较大差异,将导致材料微观结构、抗辐照性能等诸多方面材料性质的变化。目前,针对增材制造核能材料在反应堆工况下的辐照损伤研究尚未引起广泛关注。为保证这类金属材料在服役工况下的安全性与稳定性,亟需针对其辐照效应及物理机制进行深入的研究与评估。本文以选区激光熔化成形316L不锈钢为研究对象,针对氦、铁离子的损伤效应展开研究,主要结论如下:(1)采用选区激光熔化技术制备了316L不锈钢,对材料的微观结构、力学以及耐腐蚀性能进行了表征分析。实验表明,成形材料内部分布着平均尺寸为380 nm,由位错包覆的胞状亚晶。此外,样品中存在体积分数约5%的非晶纳米氧化物,平均尺寸及密度分别为60 nm,4.2×10~(20)m~(-3),上述结构形成了该材料中特殊的微纳界面结构;纳米压痕硬度测试结果为2.6 GPa,自腐蚀电位及电流密度分别为-0.284 V和0.80μA/cm2,材料硬度提升且具备较优异的耐腐蚀性能。(2)针对氦离子辐照后选区激光熔化成形316L不锈钢,结合TEM、纳米压痕等方法探究了辐照温度、浓度对于材料中微纳界面结构稳定性、氦泡分布及辐照硬化行为的影响机制。实验发现,氦辐照后,微纳界面结构保持稳定。室温/6.72%氦辐照下,观察到尺寸小于1 nm的氦泡。450°C/0.8%和450°C/4.8%氦辐照下氦泡平均尺寸分别为1.4 nm,3.2 nm。该结果表明辐照温度升高、剂量增大有利于氦泡形核及长大;此外,450°C/0.8%氦辐照时,选区激光熔化成形316L不锈钢材料中氦泡密度及硬化程度较相同辐照条件下传统不锈钢下降,且胞状亚晶界处氦泡密度升高,非晶纳米颗粒与基体形成界面处氦泡尺寸增大,表明微纳界面结构是捕获氦泡的有利位点,能够起到良好的界面自修复作用,降低氦泡的密度、肿胀率以及材料的硬化程度。(3)针对铁离子辐照后选区激光熔化成形316L不锈钢,通过多种测试方法探究了辐照温度、剂量对于材料微观结构、力学性能以及耐腐蚀性能的影响规律。研究结果表明,室温/1 dpa、450°C/1 dpa铁离子辐照后胞状亚晶以及非晶纳米析出相结构保持稳定。且450°C辐照时,位错环尺寸增大,密度下降;辐致缺陷导致晶格畸变,(111)峰位2θ减小;随着辐照剂量增大、温度减小,材料出现辐照硬化程度升高、耐腐蚀性能下降的现象,且在RT/10 dpa辐照时性能变化最为明显,该结果与不同辐照条件下缺陷的数量、尺寸等差异相关。本文围绕选区激光熔化成形316L不锈钢的抗辐照损伤性能进行了研究,为增材制造核电装备的辐照损伤效应评估提供了实验参考,具有重要的意义和实际价值。
【图文】：

核能,材料领域,快中子增殖堆,抗辐照

南京航空航天大学硕士学位论文第一章绪论究背景及意义、经济、可持续发展的能源是全球经济繁荣发展和稳定的基石。核能作为一型能源，近四十年里在全球范围内得到了安全有效的发展[1,2]。发展核能是我战略选择，而先进核能材料是核能安全发展的基础，其制造能力和研发水平我国核电设施的建造与运营安全，极大提升我国核电技术出口的竞争优势。能材料领域进行创新性研究，符合我国发展成为核电强国、制造强国的战略

辐照损伤,核电,打印设备,强辐射

选区激光熔化成形 316L 不锈钢的离子辐照损伤效应研究备的制造难题，，同时确保材料具备良好的抗辐照性能是先进核能材料领域目前面临的[7-10]。近年来，工业级的金属增材制造技术逐渐成熟。由于它是以三维模型数据文件为基础能束流熔化粉末进行逐层固化叠加成形，因此在设计上具备充分的自由度，也因其独吸引了国内外核电装备制造领域的广泛关注，并取得了一系列重要进展[11,12]。2014 年菲尔德大学先进核能制造研究中心专门开发了一套用于大型核电装备制造的电子束打印设备（图 1.2（a））。2015 年，美国橡树岭国家实验室联合通用公司，针对增材制造316L 不锈钢样品力学性能及微观结构进行了深入研究，评估其在核电领域的应用可行方面，从 2015 年开始，中核、中广核集团也采用我国自主研发的增材制造设备，相继 CAP1400 自主化燃料原型组件下管座（图 1.2（b））、核电站复杂流道仪表阀阀体（图））以及我国首个小堆（ACP100）的压力容器试件，并通过了国际核电标准 RCC-M 要8 年，中广核通过增材制造技术制造的制冷机端盖在大亚湾核电站压缩空气生产系统成备安装并通过设备运行再鉴定[13-18]。金属增材制造为复杂结构零部件的制造提供了新路，有望推动核电装备制造产业跨越式的技术发展。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TL341

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