纳米碳化硅弥散强化镍基合金的制备及显微结构与性能研究

发布时间：2017-12-10 16:08

  本文关键词：纳米碳化硅弥散强化镍基合金的制备及显微结构与性能研究

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【摘要】：熔盐堆以其本征安全性、经济性、不停堆换料、一回路低蒸汽压等优点被公认为六种最先进的第四代裂变核反应堆型之一。熔盐堆内高温、强中子辐照和强熔盐腐蚀等极端服役环境对堆用结构及功能材料提出了严苛的要求。Hastelloy N合金以其优异的抗熔盐腐蚀性能被选为熔盐堆最优备选结构材料。然而其较弱的高温力学强度和抗辐照性能限制了其在堆芯处使用。为了有效地推动熔盐堆的发展,非常有必要研发新型高温材料以满足熔盐堆的需求。本文通过粉末冶金的方法,利用高能球磨和放电等离子体烧结等工艺,成功制备了一种新型Ni-SiC复合材料并探讨了该类材料在熔盐堆中的应用前景。通过调整SiC初始添加量以及球磨时间并对其显微组织结构表征和力学性能测试,可以发现纳米SiC颗粒大幅提高了镍基体的力学强度,且强化能力随着基体晶粒尺寸减小而提高,当添加适量的SiC颗粒时,Ni-SiC复合材料在力学强度增加的同时依然保有很好的塑性。研究发现纳米SiC颗粒与镍基体存在不共格界面关系,且在烧结,退火,高温时效等过程中都保持稳定,但会随着球磨时间及SiC添加量的增大发生粗化,进而影响复合材料的综合力学性能。此外,Ni-SiC复合材料的高温时效研究表明该材料的基体晶粒在高温下会出现不同程度的长大。但是超细晶结构能有效阻碍晶粒长大,从而减小其力学性能下降幅度。同时,对该材料开展的低温退火研究表明合适的热处理工艺能细化Ni-SiC复合材料的晶粒并减少内部缺陷,从而改善其综合力学性能。鉴于Ni-SiC复合材料的力学强度与Hastelloy N合金相比仍有差距,我们通过在基体中添加Mo元素,成功制备了一种新型NiMo合金并实现了其力学强度的提高。在此过程中,提出了一种新的弥散强化机制,即弥散-沉淀强化(Dispersion and Precipitation Strengthening,DPS)机制。该机制有效地结合了碳化物弥散强化以及纳米析出相沉淀强化,大幅提高了材料的力学性能。通过对不同SiC添加量的NiMo-SiC DPS合金的研究发现,烧结/退火过程中部分SiC颗粒会与镍基体反应生成Ni_3Si纳米相并析出,从而在合金中产生沉淀强化。此外,研究还发现该合金中形成Mo_2C,且该碳化物能阻碍烧结/退火过程中基体晶粒的长大,增强晶界强化的作用。研究结果同时也表明长时间球磨能优化Mo_2C在合金中的分布,减少因其团聚长大造成的材料力学性能下降。与此同时,研究中也发现长球磨时间会导致NiMo-SiC混合粉末在球磨过程中发生逆粉碎现象,使得烧结样品的致密度下降,进而造成NiMo-SiC DPS合金的延伸率下降。本文研究表明NiMo-SiC DPS合金的力学强度远高于Hastelloy N以及其他耐氟化盐腐蚀合金材料。这充分显示了DPS强化机制的优越性。这种新型纳米碳化硅弥散强化镍基合金(Ni-SiC复合材料和NiMo-SiC DPS合金)的成功制备为未来高温熔盐堆用材料的研发提供了新思路。
【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】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TL426;TL341

【参考文献】

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本文编号：1275078