Al元素对Fe-Cr-Al包壳材料力学及高温氧化规律研究

发布时间：2020-06-06 06:40

【摘要】：随着第四代核能系统的提出,当前正在使用的燃料包壳材料不能够满足第四代核能系统的要求,所以需要寻求和开发新的能够满足第四代核能系统的燃料包壳材料。由于Fe-Cr-Al合金的较好的高温强度和抗高温氧化能力优异等优点,以及在火力发电应用时较好的表现,被认为是新一代核能系统核燃料包壳材料的候选材料之一。本文全面系统的开展了核燃料包壳材料Fe-Cr-Al合金的制备、热处理、热加工以及微观组织、力学性能、高温氧化性能等试验研究,对材料的微观组织进行调控,对相关断口特征、裂纹分布和氧化膜结构进行了分析,研究了空气氛围、水蒸气氛围氧化机制,发现了以下规律:(1)Fe-13Cr-6Al合金的1150℃均匀化退火处理20min后空冷处理的试样晶粒尺寸适中,晶粒大小均匀,得到的合金组织较好;Fe-13Cr-6Al合金经过800℃热轧,1000℃再结晶退火这种温度工艺处理的试样不但在结晶完全,而且晶粒细密,得到的合金组织较好。(2)随着Al含量的增加,Fe-Cr-Al合金仍为α-Fe单相结构,属于铁素体,其相结构并没有随着Al元素的变化而变化,硬度明显提高;随着Al的升高,合金的弹性模量变化并不明显;Fe-Cr-Al合金的屈服强度和抗拉强度随着Al含量升高而升高,其中合金Fe-13Cr-6Al的屈服强度和抗拉强度最高达到421MPa和495MPa,合金的断裂伸长率随Al元素含量的升高而降低。成分为Fe-13Cr-6Al的Fe-Cr-Al合金其抗拉强度最好,断裂伸长率最小,综合考虑,Fe-13Cr-5Al的力学性能最优异,其抗拉强度为459.37MPa,屈服强度达到377.50MPa,断裂伸长率为23.6%。其力学性能优于锆合金等传统包壳材料。(3)从氧化实验结果来看,在1200℃空气气氛中Fe-Cr-Al合金中的Al含量达到5wt.%时,就可以形成防护效果较好的氧化膜;而在1200℃水蒸气环境中Al含量需要达到6wt.%;表面物相来看,在1200℃空气环境中Al元素至少要达到3wt.%才能形成连续的Al_2O_3薄膜;而在1200℃水蒸气环境中Al元素至少要达到4wt.%才能形成连续的Al_2O_3薄膜;氧化热力学计算来看,不论是在1200℃空气环境中还是1200℃水蒸气环境中,Al氧化形成Al_2O_3的反应具有最高的吉布斯自由能,并且Al元素能够与Cr_2O_3、Fe_2O_3和FeCr_2O_4发生反应,Al元素含量的增加则能够增加形成的Al_2O_3薄膜生成的速度和质量,使其快速的生成连续而致密的Al_2O_3薄膜,并且有一定厚度,可以延缓甚至阻止氧化膜继续生成。总体而言,Fe-Cr-Al合金的力学性能以及抗高温氧化性能远优于其他传统包壳材料,是核反应堆事故容错核燃料(ATF)包壳的首要选择。
【图文】：

哈尔滨工程大学硕士学位论文损伤机理。4）Fe-Cr-Al 合金高温抗氧化性能研究把 Fe-Cr-Al 合金控制其 Al 元素含量分别置于空气氛围和水蒸气氛围进行恒温扫描电镜观察合金表面氧化膜的形貌，绘制不同 Al 元素含量的合金氧化动力确定引起合金耐高温氧化性能差异的因素，分析其氧化层稳定性及氧化膜形成机.3 课题技术路线根据本课题研究内容制定的技术路线如下图 1.1 所示。

图 2.1 Fe-Cr-Al 合金等温相图料的成分设计方案等温相图确定 Al、Cr 元素含量如下：的确定可知，Cr元素的含量为13wt.%上下，Fe-C的含量确定为 13wt.%定值。的确定图可知，Fe-Cr-Al 合金的作为包壳材水平。当 Al 含量高于 1wt.%时，合金的t.%时，合金的机械加工性能急剧下降，择 Fe2CrAl 相区附近作为试样合金所选的为在 13wt.%，余量为 Fe，，研究 Al 含量对
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TF64;TM623

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本文编号：2699305