聚变堆用体心立方结构材料中析出相形成与演化研究

发布时间：2020-06-08 03:01

【摘要】：钒合金与低活化铁素体／马氏体钢(Reduced Activation Ferritic/Martensitic,简称RAFM)均为未来核聚变堆结构材料的备选,且均具有体心立方结构。未来核聚变堆服役工况条件苛刻,其结构材料在面对高能中子流辐照的同时还需承受来自高能离子、电子以及氦气、氢气的冲击。这就给核聚变堆结构材料的高温力学性能、抗辐照性能以及其他服役性能提出了极大的挑战。析出硬化是能有效提高结构材料强度和硬度的强化手段之一。研究钒合金与RAFM钢中析出相的形成与演化对于预测这两种材料在高温、高载、强辐照环境下的性能演变有重要的意义。本文以自行冶炼的V-4Cr-4Ti合金和中国低活化马氏体钢(China Low Activation Martensitic,简称CLAM)为研究对象,利用金相显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜分别对V-4Cr-4Ti合金和CLAM钢铸态、不同处理态的基体显微组织进行了研究；以基体组织为参考系,对不同组织中的析出相的类型、尺寸及结构特征进行了观察与表征；并利用维氏显微硬度仪对不同处理状态的两种材料的硬度进行了测量；最后分析了铁离子和氦离子注入对于V-4Cr-4Ti合金微观结构的影响。重点讨论了V-4Cr-4Ti合金中析出相的形成与强化机制以及CLAM钢中多种析出相的交互作用对其稳定性的影响,获得如下创新性结果：V-4Cr-4Ti合金铸态的样品中析出相数量稀少且分布不均。热处理能明显促进析出相的形成,但析出相优先在晶粒内部而不是晶界位置析出。合金内析出相为具有NaCl结构的薄板条状的Ti-(CN),其以基体的{200}晶面族为惯习面析出,同时与基体保持良好的共格关系。合金内的析出相是以切变机制形成,形成初期的析出相包含高密度孪晶,随后通过Ti原子自基体向析出相的扩散与V原子的反向扩散的方式消除了孪晶。V-4Cr-4Ti合金热处理后的样品出现反常硬化现象,含高密度析出相的样品对应于硬度谷值。这个现象的原因为：析出相板条状的外形增强了其对位错运动的阻挡效应,位错仅能在相邻析出相间滑移。这会降低不同滑移系间交割的概率,即减弱了加工硬化效应。析出相分布密度越高,这一作用越明显。未变形样品中的析出相以垂直交叉或平行排列的方式集中分布,且形成类似于“界面”的构型,但在“界面”两侧几乎不会形成取向差。变形样品中的析出相可阻挡位错滑移。析出相的集中分布区易形成高密度位错塞积,通过累积位错取向差的方式,可在塞积区域的两侧造成2-10。的取向差。V-4Cr-4Ti合金室温注入铁离子后,会在晶界位置形成大尺寸不规则富Ti析出相,同时在晶粒内部形成纳米级小析出相；远离晶界位置的原始针状或板条状析出相会变厚变弯。晶界位置形成大尺寸不规则状的富Ti析出相是辐照过程中Kirkendall效应的体现。室温注氦的样品中,预析出相与基体的交界面是氦气泡的优先形核位置。电子辐照下氦气泡会快速缩小。预析出相与基体交界面是氦原子扩散的快速通道。CLAM钢铸态及不同处理态样品的基体组织由大量马氏体、多边形铁素体及少量位于原奥氏体边界的δ-铁素体组成。不同的析出相分布在不同的显微组织中,如(Cr, Fe) 3C主要分布在多边形铁素体内、富Ta、Nb的MX型析出分布在马氏体板条内,富Cr的M23C6型析出相位于原奥氏体晶界处。CLAM钢样品以不同冷却速率由高温冷却至室温过程中,δ-铁素体→奥氏体相变过程受制于冷却速率,奥氏体_马氏体相变过程几乎不受冷却速率影响。CLAM钢800℃长时间等温硬度曲线呈现起伏,分别对应于位错结构的回复,富Cr的M23C6相快速析出及熟化、富Ta、Nb的MX相的缓慢析出过程。快速析出但稳定性差的M23C6相与缓慢析出但高稳定的MX相的接力作用,造成了CLAM钢等温样品硬度的起伏和显微组织的长时间稳定。
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TL627

【参考文献】